کامپیوترهای کوانتومی ترکیبی بالاخره توانستند با نور و ماده کنار بیایند

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

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:

بسیاری از مهمترین فرآیندهای طبیعت به نحوه تعامل ذرات ماده با نور و سایر ذرات حامل نیرو بستگی دارد. با این حال، تا کنون ثابت شده است که برای کامپیوترهای معمولی دشوار است که تعیین کنند ذرات منفرد در این فعل و انفعالات چگونه رفتار می کنند.

اکنون، تیمی به رهبری Eleanor Crane در MIT ابزار دیجیتالی را برای شبیه‌سازی این تعاملات با استفاده از سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند به چنین ماشین‌هایی اجازه دهد تا بدون نیاز به تصحیح خطای گسترده، از همتایان کلاسیک خود بهتر عمل کنند.

تحقیقات آنها در Physical Review X منتشر شده است.

در فیزیک، ذرات به طور کلی به دو خانواده تقسیم می شوند: فرمیون ها مانند الکترون ها و کوارک ها که ماده را تشکیل می دهند و بوزون هایی مانند فوتون ها و گلوئون ها که نیروهای بین آنها را حمل می کنند.

در موارد خاص، فرمیون‌ها و بوزون‌ها به شدت برهم‌کنش می‌کنند، مانند کوارک‌ها و گلوئون‌های درون پروتون‌ها و نوترون‌ها یا الکترون‌هایی که از طریق ارتعاشات در شبکه‌های اتمی ابررساناها جفت می‌شوند. در اینجا، قدرت محاسباتی که یک کامپیوتر معمولی برای ردیابی رفتار هر ذره به آن نیاز دارد، با اندازه سیستم به طور تصاعدی افزایش می یابد.

کامپیوترهای کوانتومی تا حدی راه حلی برای این مشکل ارائه می دهند. هنگامی که مشاهده می شود، بلوک های سازنده آنها، به نام کیوبیت ها، می توانند در یکی از دو حالت کوانتومی ممکن وجود داشته باشند. از آنجایی که هیچ دو فرمیونی نمی تواند حالت کوانتومی یکسانی را اشغال کند، هر حالت یا خالی است یا پر است و کیوبیت ها را به یک پلت فرم طبیعی برای شبیه سازی آنها تبدیل می کند.

با این حال، بوزون‌ها می‌توانند به هر تعداد در همان حالت کوانتومی جمع شوند. در یک شبیه‌سازی، این عدد باید در چند کیوبیت پر شود و به دنباله‌های عملیاتی طولانی و مستعد خطا نیاز دارد.

در مطالعه خود، تیم کرین با استفاده از سخت افزاری که از قبل حاوی بوزون است، با این مشکل مقابله کردند. در رایانه‌های کوانتومی ابررسانا، کیوبیت‌ها اغلب به حفره‌های مایکروویو متصل می‌شوند: جعبه‌های فلزی کوچکی که در آنها یک میدان الکترومغناطیسی به جلو و عقب نوسان می‌کند. تا به حال، این حفره‌ها تا حد زیادی نقش‌های حمایتی را بازی می‌کردند و به کیوبیت‌ها کمک می‌کردند تا با یکدیگر تعامل داشته باشند و خوانده شوند. در این مورد آنها نقش مستقیم تری داشتند.

محققان مدل‌هایی از ذرات و میدان‌های متقابل را به عملیات‌های انجام‌شده بر روی هر دو کیوبیت، فرمیون‌ها و حفره‌هایی که نشان‌دهنده بوزون‌ها هستند، ترجمه کردند. مهمتر از همه، تعداد مراحل مورد نیاز برای کنترل یک حفره بدون توجه به تعداد بوزون ها تقریبا یکسان می ماند و هر عملیاتی از قبل روی سخت افزار موجود در دسترس است.

برای آزمایش رویکرد خود، تیم کرین محاسبه کردند که چگونه چنین پردازنده ترکیبی می‌تواند یک مدل ساده‌شده را شبیه‌سازی کند که ویژگی‌های کلیدی را با نظریه توصیف بوزون هیگز، در حالی که منابع واقعی خطا را محاسبه می‌کند، شبیه‌سازی کند.

آنها دریافتند که سخت افزار هیبریدی که در هر 1000 عملیات یک خطا ایجاد می کند، می تواند با دقت ماشینی که تنها کیوبیت دارد، تنها یک خطا در هر 1 میلیون انجام می دهد، یعنی سطحی بسیار فراتر از فناوری امروزی. بر این اساس، تیم آزمایشی را پیشنهاد کرد که می‌توانست هم از شبیه‌سازی‌های کلاسیک و هم از ماشین‌های فقط کیوبیت کوتاه‌مدت بهتر عمل کند.

جعبه ابزار این تیم می تواند به محققان کمک کند تا بررسی کنند که چگونه الکترون ها با ارتعاشات درون ابررساناها و نیمه هادی ها برهمکنش می کنند، چگونه نور بر واکنش های شیمیایی تأثیر می گذارد و چگونه ذرات در آزمایش های فیزیک ذرات پراکنده و تکامل می یابند. همچنین می‌تواند با دیگر پلتفرم‌ها، از جمله یون‌های به دام افتاده و اتم‌های خنثی سازگار شود.

از آنجایی که سخت‌افزار مورد نیاز آن تا حد زیادی وجود دارد، گام بعدی آن‌ها این است که پیشنهاد خود را آزمایش کنند و به طور بالقوه مسیر جدیدی را فراتر از محاسبات کوانتومی فقط کیوبیت باز کنند.

توسط نویسنده ما سام جارمن، ویرایش شده توسط گابی کلارک، 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.

النور کرین و همکاران، پردازشگرهای کوانتومی اسیلاتور هیبریدی-کیوبیت: شبیه سازی فرمیون ها، بوزون ها و میدان های گیج، بررسی فیزیکی X (2026). DOI: 10.1103/s5bn-z4jq

نویسنده مشارکت کننده Science X; اخترفیزیک، مواد جدید، تصویربرداری پزشکی و فناوری های الهام گرفته از زیست را پوشش می دهد. نمایه کامل →

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 →