خنک کننده لیزری مبتنی بر تراشه می تواند گلوگاه محاسبات کوانتومی را کاهش دهد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

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

محققان در کورنل یک تکنیک خنک کننده لیزری را توسعه داده اند که به طور بالقوه می تواند گلوگاه قابل توجهی را در توسعه کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر و سریعتر برطرف کند.

این یافته‌ها که در 9 نوامبر در مجله PRX Quantum منتشر شد، نشان می‌دهد که چگونه پرتوهای لیزری با طراحی خاص که از طریق یک تراشه ریز ساخته می‌شوند می‌توانند چندین نوع حرکت اتمی را به طور همزمان خنک کنند.

این تحقیق توسط کاران مهتا، استادیار مهندسی برق و کامپیوتر در کالج مهندسی کورنل دافیلد رهبری شد.

رایانه‌های کوانتومی یونی به دام افتاده از اتم‌های باردار الکتریکی مجزا که در میدان‌های الکترومغناطیسی معلق هستند برای پردازش اطلاعات به روش‌هایی استفاده می‌کنند که بیت‌های رایانه‌ای معمولی نمی‌توانند. این یون‌ها کنترل کوانتومی بسیار دقیقی را ارائه می‌کنند، اما حتی مقادیر ناچیز حرکت ناخواسته نیز می‌تواند در محاسبات اختلال ایجاد کند. لیزرها باید بارها و بارها یونها را تا نزدیکترین حالتهای انرژی ممکن خنک کنند.

این خنک‌سازی می‌تواند به طور شگفت‌آوری سهم زیادی از زمان کار یک کامپیوتر کوانتومی را مصرف کند.

مهتا گفت: "شما ممکن است فکر کنید که عملیات منطقی مرتبط با اجرای یک کامپیوتر مقیاس زمانی غالب خواهد بود." اما عملیات خنک‌سازی، به‌ویژه نزدیک به حالت پایه کوانتومی، در نهایت به یک گلوگاه بزرگ در سیستم‌های پیشرو تبدیل می‌شود.»

تیم مهتا در حال کار بر روی رویکردهای فوتونیک یکپارچه برای کنترل اتم است که نور را از طریق مسیرهای میکروسکوپی روی همان تراشه ای که میزبان هر اتم است، هدایت می کند. کار آنها از پایداری این نوع اپتیک برای ارائه یک الگوی دقیق کنترل شده از نور لیزر، معروف به موج ایستاده، به اتم های به دام افتاده استفاده می کند.

محققان از دو پرتو لیزر که در جهت مخالف حرکت می‌کردند برای ایجاد مناطق متناوب با شدت نور بالا و کم استفاده کردند. با قرار دادن یک یون کلسیم به دام افتاده در نقطه ای با حداقل شدت، آنها می توانند انرژی را از حرکت آن حذف کنند و در عین حال فعل و انفعالات ناخواسته ای را که در غیر این صورت باعث گرم شدن می شوند، سرکوب کنند.

این تکنیک مبتنی بر پیش‌بینی‌های نظری است که توسط دانشجوی دکترا ژنژونگ زینگ ایجاد شده است. زینگ و دانشجوی دکترا حمیم محمود ریوی، اولین نویسندگان، تکنیک‌ها و آزمایش‌ها را برای ترجمه مدل‌سازی قبلی به یک نمایش تجربی پیاده‌سازی کردند. این شامل بسته‌بندی‌هایی بود که به تراشه‌ها اجازه می‌داد طول موج‌های ماوراء بنفش تا نور مادون قرمز نزدیک را کنترل کنند، در حالی که در دماهای برودتی کار می‌کنند.

محققان با استفاده از روشی به نام خنک‌سازی شفافیت القایی الکترومغناطیسی، حرکت هدفمند یون را در حدود 150 میکروثانیه به حالت پایه کوانتومی نزدیک کردند، در حالی که با استفاده از آرایش لیزری معمولی 500 میکروثانیه بود.

علاوه بر این، این تکنیک به طور همزمان هر سه حالت اندازه گیری شده حرکت یون را خنک می کند و محدوده فرکانسی تقریبا 5 مگاهرتز را در بر می گیرد. این قابلیت مهم است زیرا یون ها می توانند در سه بعد نوسان کنند و هر جهت ممکن است فرکانس متفاوتی داشته باشد. تکنیک‌های مرسوم اغلب به عملیات خنک‌سازی جداگانه برای پرداختن به انواع مختلف حرکت نیاز دارند.

زینگ گفت: "معمولا خنک کردن همه آنها تنها با یک مکانیسم خنک کننده چالش برانگیز است." اما آنچه ما در اینجا نشان می دهیم این است که اگر آن فرکانس های حرکتی خیلی از هم دور نباشند، می توانیم به طور موثر آنها را تا حالت پایه خنک کنیم.

محققان همچنین خنک شدن زیر حد معمولی داپلر را نشان دادند که به طور تجربی یک پیش‌بینی نظری طولانی مدت را تأیید کرد.

یکی از جنبه های مهم کار این است که اجزای نوری به جای تکیه کامل بر آرایش دقیق لیزرهای خارجی، در یک تراشه یکپارچه شده اند. این تراشه چندین طول موج نور مورد نیاز برای کنترل یون را ارائه می‌کند، رویکردی که گروه‌های مختلف در میدان در حال توسعه آن هستند تا سیستم‌ها را به کیوبیت‌های بیشتری گسترش دهند.

این تراشه ها به صورت تجاری در هلند از طریق همکاری با ETH Zurich ساخته شدند. از امکانات کرنل، از جمله مرکز علوم و فناوری نانو مقیاس کورنل، در بسته بندی و آماده سازی دستگاه ها برای آزمایش استفاده شد.

اگرچه آزمایش‌ها شامل یک یون منفرد بودند، اما این رویکرد برای رایانه‌های کوانتومی یون به دام افتاده بزرگ‌تر قابل استفاده است. مهتا گفت، اهمیت گسترده‌تر این است که کار به راه‌هایی اشاره می‌کند که در آن فناوری‌های مورد بررسی برای بزرگ‌تر کردن رایانه‌های کوانتومی می‌توانند در عین حال عملیات اساسی را که این رایانه‌ها به آن‌ها وابسته هستند، بهبود بخشند.

ژنژونگ زینگ و همکاران، خنک‌سازی سریع لیزری چند حالته به دام افتاده با یون در یک موج ایستاده پایدار فاز، PRX کوانتوم (2026). DOI: 10.1103/5btm-vwgy

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. 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 →