گام بزرگ به سوی رایانههای کوانتومی با مهار نور تکاتمها
پژوهشگران دانشگاه استنفورد با ارائه روشی تازه برای جمعآوری نور گسیلشده از اتمها گام مهمی به سوی ساخت رایانههای کوانتومی بسیار بزرگ و مقیاسپذیر برداشتهاند؛ دستاوردی که میتواند مسیر دستیابی به رایانههای کوانتومی میلیونکیوبیتی را هموار کند.
به گزارش sciencedaily، رایانههای کوانتومی قرار است برخی محاسبات پیچیده را با سرعتی انجام دهند که برای رایانههای کلاسیک هزاران سال زمان میبرد، اما یکی از موانع اصلی در مسیر تحقق این هدف دشواری خواندن سریع و همزمان اطلاعات از تعداد بسیار زیادی کیوبیت بوده است.
تیمی از فیزیکدانان استنفورد نوع جدیدی از حفره نوری طراحی کردهاند که میتواند فوتونهای منفرد گسیلشده از اتمهای جداگانه را بهطور کارآمد جمعآوری و هدایت کند. در این سامانه هر اتم نقش یک کیوبیت را دارد و برای نخستینبار امکان خواندن اطلاعات از همه کیوبیتها بهصورت همزمان فراهم شده است؛ در حالی که پیش از این معمولا این کار بهصورت تکبهتک انجام میشد.
بر اساس نتایج منتشرشده در نشریه Nature پژوهشگران یک آرایه عملیاتی شامل ۴۰ حفره نوری ساختهاند که هرکدام یک اتم-کیوبیت را در خود جای میدهد. علاوه بر آن، نمونه اولیه بزرگتری با بیش از ۵۰۰ حفره نیز آزمایش شده است. این پیشرفت نشان میدهد که میتوان شبکههای کوانتومی بسیار بزرگ حتی در مقیاس حدود یک میلیون کیوبیت ایجاد کرد.
مشکل اساسی در سامانههای اتمی این است که اتمها نور را هم آهسته و هم در همه جهات منتشر میکنند. حفره نوری با هدایت نور در یک جهت مشخص، امکان استخراج سریعتر و کارآمدتر اطلاعات کوانتومی را فراهم میکند و در طرح جدید، برای هر اتم یک حفره مستقل در نظر گرفته شده است.
حفره نوری بهطور معمول از بازتابهای پیاپی نور بین چند سطح آینهای شکل میگیرد و باعث میشود نور بارها از کنار یک اتم عبور کند و برهمکنش نور و ماده تقویت شود، اما کار با اتمها دشوار است، زیرا بسیار کوچک و تقریبا شفافاند و بهسختی میتوان نور کافی را بهطور موثر با آنها درگیر کرد.
راهکار جدید استنفورد بهجای تکیه بر بازتابهای فراوان از میکرولنزهای بسیار کوچک درون هر حفره استفاده میکند تا نور را بهشدت روی یک اتم متمرکز کند. با وجود تعداد کمتر بازتابها این طراحی در عمل برای بیرون کشیدن اطلاعات کوانتومی کارآمدتر از روشهای متداول بوده است و میتواند نرخ تبادل داده بین اجزای یک شبکه کوانتومی را بهطور چشمگیری افزایش دهد.
توانایی خارقالعاده رایانههای کوانتومی از ماهیت کیوبیتها ناشی میشود. برخلاف بیتهای کلاسیک که فقط صفر یا یک هستند کیوبیت میتواند همزمان در ترکیبی از هر دو حالت باشد و به این ترتیب سامانه کوانتومی میتواند تعداد زیادی حالت ممکن را بهطور موازی بررسی کند و پاسخهای درست را تقویت و پاسخهای نادرست را تضعیف کند.
کارشناسان معتقدند برای پیشی گرفتن از قدرتمندترین ابررایانههای امروزی به سامانههایی با میلیونها کیوبیت نیاز است. تحقق چنین مقیاسی احتمالا از طریق اتصال تعداد زیادی رایانه کوانتومی کوچکتر در قالب یک شبکه بزرگ ممکن خواهد بود. فناوری حفرههای نوری جدید امکان خواندن موازی تعداد زیادی کیوبیت را فراهم میکند؛ قابلیتی حیاتی برای ساخت این شبکههای عظیم.
این گروه پژوهشی پس از آرایه ۴۰تایی نمونهای با بیش از ۵۰۰ حفره را نیز با موفقیت آزمایش کرده و در حال حرکت به سمت سامانههایی با دهها هزار حفره است. چشمانداز بلندمدت آنها ایجاد نوعی مرکز داده کوانتومی است که در آن ماشینهای کوانتومی متعدد از طریق رابطهای نوری مبتنی بر این حفرهها به هم متصل میشوند.
کاربردهای این فناوری فقط به محاسبات محدود نمیشود. رایانههای کوانتومی بزرگمقیاس میتوانند به کشف مواد جدید شبیهسازی دقیقتر واکنشهای شیمیایی و تسریع فرایند طراحی دارو کمک کنند و در عین حال توانایی شکستن کدهای رمزنگاری پیچیده را بهطور چشمگیری افزایش دهند.
از سوی دیگر جمعآوری کارآمد نور در مقیاس تکذرهای میتواند به حوزههایی مانند زیستحسگری پیشرفته میکروسکوپی با دقت بالاتر و حتی نجوم نیز راه پیدا کند. در افقی دورتر، شبکههای کوانتومی نوری ممکن است امکان ترکیب چند تلسکوپ را بهگونهای فراهم کنند که تفکیکپذیری آنها برای مشاهده مستقیم سیارات فراخورشیدی کافی باشد.
بهطور کلی این دستاورد نشان میدهد که کنترل و هدایت نور در مقیاس تکفوتون میتواند زیرساخت نسل جدیدی از فناوریهای محاسباتی و تصویربرداری را شکل دهد و مسیر عملی برای مقیاسپذیری رایانههای کوانتومی را روشنتر کند.
انتهای پیام/
