حافظه کوانتومی با دسترسی تصادفی به یک پردازنده اجازه می دهد از بین هفت سلول ذخیره سازی انتخاب کند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

کامپیوترهای کلاسیک می توانند به طور موقت اطلاعات مورد نیاز برای انجام وظایف خاص را در یک جزء حافظه کوتاه مدت که به عنوان RAM (حافظه دسترسی تصادفی) شناخته می شود، ذخیره کنند. این مؤلفه به پردازنده های رایانه اجازه می دهد تا اطلاعات را از یک مکان انتخابی بدون جستجو در تمام داده های ذخیره شده بازیابی کنند.

با این حال، اکثر رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر ابررساناهای کنونی، جزء رم‌مانند جداگانه ندارند. این به این دلیل است که در حالی که پردازنده‌ها و اجزای حافظه در رایانه‌های کلاسیک مجزا هستند، اکثر رایانه‌های کوانتومی ابررسانا برای ذخیره و پردازش اطلاعات به سخت‌افزار یکسانی متکی هستند.

محققان دانشگاه استنفورد، دانشگاه شیکاگو، آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC و سایر موسسات دستگاه جدیدی طراحی کرده اند که می تواند به عنوان حافظه کوانتومی با دسترسی تصادفی عمل کند. دستگاه آنها که در مقاله منتشر شده در Nature Physics ارائه شده است، می تواند راه را برای رایانه های کوانتومی با اجزای حافظه جداگانه و اتصالات حامل سیگنال کمتر هموار کند.

دیوید آی شوستر، نویسنده ارشد این مقاله، به Phys.org گفت: «در رایانه‌های کوانتومی، هر کیوبیت یک بیت پردازنده است و هر کدام از آن‌ها به لوازم الکترونیکی مایکروویو و سیم‌کشی خود نیاز دارند که در یخچالی که قبلا شلوغ است، اجرا شود.

"اگر هر کیوبیت اضافی هزینه مجموعه دیگری از سخت افزار کنترل را داشته باشد، مقیاس بندی یک مشکل فیزیک نیست و تبدیل به یک مشکل مهندسی می شود."

شوستر و همکارانش برای ارائه کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر ابررسانا با اجزای حافظه فشرده مدت‌ها تلاش کرده‌اند که حفره‌های مایکروویو را توسعه دهند که حالت‌های زیادی را در آن واحد پشتیبانی می‌کند. در این زمینه، حالت‌ها الگوهای متمایزی هستند که در آنها انرژی مایکروویو می‌تواند در داخل یک حفره نوسان کند و هر حالت می‌تواند به عنوان یک مکان ذخیره داده جداگانه عمل کند.

شوستر توضیح داد: «به یک جعبه فلزی فکر کنید که در آن تعداد زیادی نت‌های جداگانه می‌توانند همزمان به صدا درآیند، هر کدام می‌توانند اطلاعاتی به ارزش یک کیوبیت را در خود نگه دارند، و هر کدام می‌توانند آن را برای مدت طولانی نگه دارند».

"فکر واضح این است که از هر نت برای نشان دادن یک کیوبیت حافظه متفاوت استفاده کنیم. مانع همیشه کنترل بوده است: برای نوشتن به آنها باید آنها را به یک کیوبیت ابررسانا به نام ترانسمون وصل کنید، و یک ترانسمون برهمکنش هایی بین اشیایی که متصل می کند ایجاد می کند. این دقیقا همان چیزی است که آن را در محاسبات خوب می کند و دقیقا همان چیزی است که حالت های ظریفی را که می خواهید ذخیره کنید را مختل می کند."

برای حل این چالش طولانی مدت، محققان پیشنهاد کردند به جای اتصال مستقیم، یک بافر بین یک پردازنده کوانتومی و یک حافظه معرفی کنند. دستگاهی که آنها طراحی کردند دارای چهار جزء کلیدی است: یک ترانسمون، یک حفره آلومینیومی چند حالته، یک حفره بافر و یک جفت کننده قابل تنظیم برای انتقال حالت های کوانتومی بین بافر و یک سلول حافظه انتخابی.

شوستر توضیح داد: «ترانسمون محاسبات را انجام می‌دهد، حفره آلومینیومی چند حالته دارای هفت حالت است که به‌عنوان سلول‌های حافظه قابل آدرس‌دهی جداگانه عمل می‌کنند، و حفره بافر بین آن‌ها بیشتر شبیه یک کش یا میز کار است.»

"انتخاب یک سلول حافظه بسیار شبیه تنظیم یک رادیو به یک ایستگاه است. ما یک آهنگ کنترلی را در فرکانس مناسب اعمال می کنیم، و این یک مبادله را روشن می کند که حالت کوانتومی را از سلول انتخاب شده و به بافر تعویض می کند. ترانسمون در آنجا روی آن کار می کند، و فرآیند به صورت معکوس انجام می شود تا آن را به عقب برگرداند. جابجایی تقریبا نیم میکروثانیه طول می کشد که در جایی که سلول های دیگر بودند می مانند."

ویژگی تعیین کننده طراحی تیم، بافر است که بین ترانسمون و حفره قرار می گیرد. این بافر ترانسمون با تعامل قوی را از لایه ذخیره سازی مبتنی بر حفره جدا نگه می دارد و به حافظه کمک می کند انسجام خود را حفظ کند.

Eesh Gupta، نویسنده اول مقاله توضیح داد: "پردازش سریع، تعاملات انگلی را معرفی می کند که می تواند خاطرات همراه را خراب کند." "در طراحی آبشاری ما، بافر به طور موثر از آنها محافظت می کند و بنابراین بهترین عملکرد را از پردازنده و حافظه ها به ارمغان می آورد."

محققان نمونه اولیه دستگاه خود را ساختند و سپس عملکرد آن را ارزیابی کردند. در آزمایش‌های خود، آن‌ها هزاران بار به هفت سلول حافظه دسترسی پیدا کردند و عملیات‌های تصادفی‌سازی شده را انجام دادند و نحوه انباشته شدن خطاها را اندازه‌گیری کردند.

آنها دریافتند که هر عملیات دسترسی، خطای متوسطی در حدود 1.2 درصد در هر حالت حافظه ایجاد می کند. آزمایش‌های بیشتر نشان داد که تعاملات ناخواسته بین حالت‌ها منبع اصلی خطا هستند و نکاتی را در مورد چگونگی بهبود طراحی آنها ارائه می‌دهند.

Ziqian Li، نویسنده اول مقاله گفت: «مقیاس‌گذاری زمانی بسیار کاربردی‌تر می‌شود که یک پردازنده بتواند بسیاری از حالت‌های کوانتومی ذخیره‌شده را ارائه دهد. آزمایش ما نشان می‌دهد که چگونه می‌توان به بانکی از حافظه‌های کوانتومی در صورت تقاضا دست یافت و مسیری را به سوی کیوبیت‌های منطقی‌تر بدون رشد مشابه در سخت‌افزار کنترل باز کرد.»

این مطالعه نشان می‌دهد که تحقق یک معادل کوانتومی RAM در واقع ممکن است. دستگاه توسعه یافته توسط محققان می تواند به رایانه های کوانتومی آینده اجازه دهد تا اطلاعات بیشتری را بدون نیاز به مجموعه ای از سیم های کنترل جداگانه برای هر سلول حافظه ذخیره کنند.

گوپتا می‌گوید: «دستگاه ما دارای هفت سلول حافظه است که هر یک از آن‌ها را می‌توان در صورت تقاضا از طریق یک ترانسمون فراخوانی کرد. «تعویض‌های فردی با حدود 99.3 درصد وفاداری اجرا می‌شوند و یک چرخه کامل خواندن-عملیات-نوشتن تقریبا 1.2 درصد خطا در سلول مورد استفاده هزینه دارد. این به اندازه کافی خوب است که اگر حافظه تنها منبع خطا بود، تکنیک‌های تصحیح خطا موجود می‌توانست با آن مطابقت داشته باشد.

یک معماری با حافظه به اندازه کافی خوب می تواند با خطوط کنترل چند برابر کمتر و همچنین اتصال بهتر به همان ظرفیت منطقی برسد.

در آینده، تیم می‌تواند دستگاه را بیشتر بهبود بخشد و آن را با تصحیح خطای کوانتومی جفت کند تا از اطلاعات ذخیره‌شده محافظت کند. در نهایت، کار آنها می تواند به توسعه رایانه های کوانتومی جدید کمک کند که می توانند اطلاعات را با اطمینان بیشتری ذخیره کنند.

دیوید شوستر، نویسنده ارشد این مقاله می گوید: «در رایانه های کلاسیک بیش از 99 درصد از ترانزیستورها برای حافظه به جای منطق استفاده می شود، در حالی که پردازنده های ابررسانای فعلی هیچ مفهومی از حافظه ندارند. ما امیدواریم که با تخصصی کردن حافظه و پردازش بتوانیم هر یک از آنها را بهتر و ارزان تر کنیم و اطلاعات کوانتومی را دقیقا در زمانی که محاسبات به آن نیاز دارد بازیابی کنیم.

شوستر و همکارانش قبلا منابع احتمالی خطا را در سیستم خود شناسایی کرده اند. بینشی که آنها جمع آوری کردند می تواند توسعه نسخه های آینده را راهنمایی کند که اطلاعات را با اطمینان بیشتری حفظ می کند، حتی با اضافه شدن سلول های حافظه بیشتر.

لی می‌گوید: «ما نه تنها سلول مورد استفاده، بلکه هر سلولی را که در ذخیره‌سازی بیکار نشسته بود، ردیابی کردیم، که به ما امکان داد دقیقا ببینیم که وفاداری به کجا می‌رود.» "از دست دادن غالب، پوسیدگی نیست، و کنترل نادقیق نیست - بلکه این است که حالت‌ها با یکدیگر تعامل ضعیفی دارند، بنابراین عملکرد روی یکی، دیگران را کمی خارج از مرحله می‌کند. این دقیقا به ما می‌گوید چه چیزی را باید اصلاح کنیم، یعنی بهبود جفت‌کننده‌ها برای جداسازی بهتر حافظه‌ها، و به ما می‌گوید که چگونه خطاها با اضافه شدن سلول‌ها رشد می‌کنند."

محققان با استفاده از یافته های اولیه خود، در حال بررسی چگونگی ترکیب دستگاه خود با تکنیک های تصحیح خطای کوانتومی هستند.

شوستر افزود: «دلیل ساخت حافظه اصلا تصحیح خطا است. ما اکنون در حال بررسی این موضوع هستیم که چگونه می توان این نوع حافظه را با الگوریتم های تصحیح خطای کوانتومی برای بهبود حافظه و پردازش کوانتومی طراحی کرد.

توسط نویسنده ما Ingrid Fadelli، ویرایش شده توسط Sadie Harley، و بررسی واقعیت و بازبینی توسط رابرت ایگان برای شما نوشته شده است - این مقاله نتیجه کار دقیق انسانی است. ما برای زنده نگه داشتن روزنامه نگاری علمی مستقل به خوانندگانی مانند شما متکی هستیم. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفا یک کمک مالی (به ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به عنوان تشکر، یک حساب کاربری بدون آگهی دریافت خواهید کرد.

زیقیان لی و همکاران، حافظه کوانتومی با دسترسی تصادفی آبشاری، فیزیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03418-w.

روزنامه نگار آزاد با لیسانس روانشناسی و کارشناسی ارشد روزنامه نگاری بین المللی. از سال 2018 هوش مصنوعی، رباتیک، علوم اعصاب و اخترفیزیک را پوشش می دهد. نمایه کامل →

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →