ساخت نخستین کامپیوترهای کوانتومی جهان نزدیک است

به گزارش بولتن نیوز، بزرگترین چالش در اجرایی کردن یک کامپیوتر کوانتومی این است که چگونه به میزان کافی بیت‌های کوانتومی برای انجام محاسبات را به دام بیندازند، اما یک تیم از مهندسین در ایالات متحده می‌گویند که در نهایت ممکن است راه حلی داشته برای حل این مسئله داشته باشند.


کامپیوترهای کوانتومی قرار است نحوه پردازش داده‌ها در آینده را متحول کنند، چرا که آنها به سیستم کد دهی صفرویک که کامپیوترهای امروزی متکی بر آن هستند، محدود نمی‌شوند. کد های دوتایی ما را عقب نگه داشته است، چرا که اگر ما بتوانیم فقط ترکیبی از صفرویک استفاده کنیم، یک مقدار محدودی از داده‌ها جهت پردازش موجود خواهد بود. در عوض، رایانه‌های کوانتومی از بیت‌های کوانتومی استفاده می‌کنند که در اصل می‌تواند حالت صفر و یک و یا انطباقی ازهردو را بگیرند. بنابراین به جای اینکه بیت‌هایی داشته باشند که تنها می‌تواند درهر لحظه صفر و یا یک باشند، بیت‌های کوانتومی می‌تواند هر چیزی و همه چیز باشند.

    جاد جاگیت دراین‌باره توضیح می‌دهد: "رایانه‌های کوانتومی سه ویژگی بسیار غیرمعمول را به کار می‌گیرند که در مقیاس کوانتومی کار می‌کنند – اینکه الکترون می‌تواند رفتار موجی و ذره‌ای داشته باشد، اینکه اشیاء می‌توانند دریک زمان درچند مکان باشند و اینکه آنها می‌توانند یک ارتباط آنی را حفظ کنند؛ حتی زمانیکه با فاصله زیاد ازهم جدا شده‌اند( ویژگی که شبکه گره خورده نامیده می‌شود).”

این مورد به این معنی است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند محاسبات زیادی را به صورت همزمان انجام دهند ، که به آنها – کاملا به معنای واقعی کلمه – پتانسیل بی حد و اندازه داده می‌شود. اما ما باید نخست در نظر بگیریم که چگونه می‌توان آنها را ساخت.  با وجود آنچه که گوگل در مورد ماشین محاسبه کننده کوانتومی جدید D-Wave 2X می‌گوید ، هیچ کس قادر به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مناسب نیست. چون به دام انداختن تعداد زیادی از بیت‌های کوانتومی روی یک مدار و کنترل کردن آنها با یک راه قابل اعتماد مشکل است.

یک بار انیشتین خود را با عنوان "اقدام شبح وار در فاصله” مورد استهزا قرار داد، شبکه کوانتومی یک پدیده عجیبی است که در آن دو ذره کوانتومی به شیوه‌ای باهم میانکنش دارند که به صورت عمیقی متصل شده و اساسا یک ماهیت را به اشتراک می گذارند.

این به این معنی است که هر آنچه برای یک ذره رخ میدهد، به طور مستقیم و آنی روی دیگری تاثیر می‌گذارد – حتی اگر آنها سال‌های نوری زیادی از هم فاصله داشته باشند.  به دست آوردن یک دسته از ذرات به دام انداخته شده در یک مکان برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی بسیار مهم است، و محققان از دانشگاه Penn State می گویند که با یک تکنیک توانسته اند این کار را انجام دهند.

آنها در ابتدا پرتوهای نور لیزر را برای ایجاد یک آرایه شبکه‌ای سه بعدی بکار گرفتند که می‌تواند یک دسته از ذرات کوانتومی رابه دام اندازد و نگه دارد و آنها را وادار به ایجاد یک آرایش مکعبی دارای پنج سطح هموار انباشته شده کند. کاترین نویس می‌گوید فکرکنید شبیه یک ساندویچ پنج لایه با شبکه‌هایی از اتم‌ها در داخل هر یک از لایه‌ها.

هر لایه در مدار می‌تواند ۲۵ اتم با فاصله برابر را نگه دارد، و هنگامی که همه آنها دریک موقعیت باشند، امواج میکرو (مایکروویو) برای تغییر بیت‌های کوانتومی منفرد ازیک حالت کوانتومی به حالت دیگر بدون تغییر دادن وضعیت سایر اتمها در آرایه مکعب استفاده می‌شود.

    همانگونه که نویس توضیح می‌دهد:

    "دانشمندان برخی از موقعیت‌های ممکن در آرایه را با بیت‌های کوانتومی متشکل از اتم‌های سزیم خنثی که بار مثبت ویامنفی ندارند، پرکرده‌اند. سپس، آنها پرتوهای نور لیزرعرضی را برای هدف قرار دادن اتم‌های منفرد در شبکه بکار گرفته‌اند که باعث تغییر در سطوح انرژی این اتم‌ها می‌شود.”

هنگامی که دانشمندان تمام آرایه را با یک شستشوی یکنواخت با امواج مایکروویو شسته ، حالت اتم‌ها با سطوح انرژی تغییر یافته عوض شده؛ در حالیکه حالت سایراتم‌ها تغییر نکرده است. این تیم، توسط دیوید ویس فیزیکدان رهبری شده و توانایی خود را برای تغییر حالت کوانتومی این اتم‌های منفرد باتغییر دادن حالت اتم‌های انتخاب شده در عرض سه سطح هموار انباشته شده که با حروف P ، S و U نشان داده‌اند، موردارزیابی قراردادند.
وی دراین‌باره میگوید: "ما انطباق کوانتومی اتم‌های PSU را به حالتی متفاوت از اتم‌های دیگرموجود در آرایه تغییر داده ایم. ما باید یک سیستم با صحت بسیار بالا داشته باشیم. ما می‌توانیم انتخابی را با قابلیت اطمینان ۹۹.۷ درصد مورد هدف قراردهیم و ما باید یک برنامه داشته باشیم که به ۹۹.۹۹ درصد برسیم”

بنابراین … گام بعدی، کامپیوترهای کوانتومی؟

متاسفانه، دو محدودیت عمده در اینجا وجود دارد – نیاز است که سیستم‌ها به صورت جدی مقیاس بندی شوند، چون ۱۲۵ اتم قرار نیست که برای ما در جهان واقعی بهتر کار کنند. و ذرات کوانتومی مورد استفاده دراین سیستم به دام انداخته نشده‌اند. همانطور که ما در ماه گذشته متوجه شدیم، زمانی که فیزیکدانان چینی کوانتومی گرفتار ۱۰ جفت فوتونی کوانتومی را به دام انداخته تا یک رکورد جهانی جدید را بگیرند، به دام انداختن چندین ذره بسیارسخت است.

اما تیم ویس مطمئن است که می‌توانند آن را روی سیستمی که دارند هم درفرم مقیاس بندی و هم به شیوه شبکه شبح وار بسازند. او می‌گوید:”پر کردن مکعب با یک اتم در هر مکان به صورت دقیق و تنظیم کردن شبکه بین اتم‌ها در هر مکان که ما انتخاب کرده‌ایم، از اهداف تحقیقی ما در آینده نزدیک است.”