تحقیقات محاسبات کوانتومی را که سرعت نور را مهار می کند، پیشرفت می دهد

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط اندرو زینین

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:

کامپیوترهای کوانتومی این پتانسیل را دارند که محاسبات را سریع‌تر از ابررایانه‌ها انجام دهند، اما اگر با فوتون‌ها به‌عنوان واحدهای پایه‌شان به نام کیوبیت ساخته شوند، می‌توانند حتی سریع‌تر و کارآمدتر باشند.

با این حال، چالش‌ها در ساخت تراشه‌هایی که به فوتون‌ها اجازه می‌دهند به عنوان کیوبیت در مدارها عمل کنند، باقی می‌ماند. مهندسان دانشگاه پردو راه‌حل‌های بالقوه‌ای را برای چندین مشکل عمده با ساخت این تراشه‌ها، که به عنوان مدارهای مجتمع فوتونیک کوانتومی شناخته می‌شوند، در مقیاس بزرگ توسعه داده‌اند.

کیوبیت نسخه کوانتومی یک بیت است که یک کامپیوتر معمولی برای پردازش اطلاعات به صورت صفر و یک استفاده می کند. در حالی که بیت‌ها می‌توانند در هر لحظه فقط حالت صفر یا یک را داشته باشند، یک کیوبیت هم‌زمان صفر و یک را از طریق پدیده‌ای به نام برهم‌نهی نشان می‌دهد و مقدار اطلاعات پردازش شده را به میزان زیادی گسترش می‌دهد.

فوتون‌ها، کوچک‌ترین ذرات نور ممکن، نسبت به سایر ذرات کوانتومی که می‌توانند برای ساخت کیوبیت‌ها استفاده شوند، مزایای متعددی دارند. به عنوان مثال، فوتون‌های منفرد کیوبیت‌ها را قادر می‌سازند تا از طریق دروازه‌های مدار با سرعت نور حرکت کنند و داده‌ها را سریع‌تر انتقال دهند و تاخیر در عملکرد الگوریتم را به حداقل برسانند. از آنجایی که فوتون ها به راحتی توسط گرما یا سایر تغییرات محیط اطراف خود مختل نمی شوند، می توانند پایداری کیوبیت ها را در دمای اتاق نیز ارائه دهند. انواع دیگر کیوبیت ها برای کارکردن به دماهای فوق سرد نیاز دارند و انرژی بیشتری مصرف می کنند.

مدارهای مجتمع فوتونیک کوانتومی می توانند با تعداد کمی کیوبیت کار کنند، اما برای انجام محاسبات عملی، رایانه های کوانتومی به صدها یا هزاران کیوبیت نیاز دارند، مقیاسی که هنوز با این تراشه ها امکان پذیر نیست.

ولادیمیر شالایف، استاد برجسته باب و آن برنت در مهندسی برق و کامپیوتر می گوید: "فوتن های منفرد بلوک های سازنده فوتونیک کوانتومی هستند. بزرگترین چالش ها در مقیاس بندی مدار مجتمع فوتونیک کوانتومی با ایجاد منابع تک فوتونی خوب مرتبط است."

شالایف و الکساندرا بولتاسوا در دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر خانواده المور پوردو، مرکز نانوتکنولوژی بیرک و موسسه علوم و مهندسی کوانتومی پوردو روی چالش‌های کلیدی ساخت مدارهای مجتمع فوتونیک کوانتومی کار می‌کنند. اکتشافات گذشته آنها در مورد چگونگی دستکاری نور در مقیاس نانو در زمینه های فوتونیک و اپتیک اساسی بوده است. برای چندین سال، هر یک از آنها در فهرست Clarivate Highly Cited Researchers به ​​دلیل رتبه بندی کار در 1٪ استنادات برتر در وب آو ساینس شناخته شده اند.

بولتاسوا، استاد ممتاز رون و داتی گاروین تونژس در مهندسی برق و کامپیوتر، همچنین در فهرست کوانتوم 100 سال گذشته به عنوان بخشی از سال بین‌المللی علم و فناوری کوانتومی تعیین‌شده توسط سازمان ملل قرار گرفت.

یکی از مشکلات ساخت یک مدار مجتمع فوتونیک کوانتومی، تولید یک فوتون در یک زمان به شکل کیوبیت است.

در سال 2021، شالایف و بولتاسوا مطالعه‌ای را در Science Advances منتشر کردند که در آن روشی برای انتشار فوتون‌های منفرد با استفاده از نیترید سیلیکون، ماده‌ای که به استاندارد صنعتی برای ساخت سکوهای فوتونیک کوانتومی تبدیل شده است، نشان می‌دهد.

اما فرآیندی که صنعت برای انتشار فوتون از آن استفاده می‌کند، به نام تبدیل پارامتری خودبه‌خود به پایین، فوتون‌های منفرد را به‌طور متناقض و با راندمان پایین تولید می‌کند.

روشی که تیم شالایف و بولتاسوا توسعه دادند، هر بار که پرتو لیزر از آن عبور می‌کند، دقیقا یک فوتون را در دمای اتاق از ده‌ها مکان روی یک سکوی نیترید سیلیکون ساطع می‌کند.

منابع گسیل فوتون تغییراتی در ساختار اتمی به نام "نقص" است که محققان در داخل سکو ایجاد کردند. این نقص اتمی انتشار نور را به یک فوتون در یک زمان محدود می کند.

شالایف و بولتاسوا همچنین در مطالعه‌ای که در کنفرانس لیزرها و الکترواپتیک 2022 ارائه شد نشان داده‌اند که می‌توانند محل قرارگیری و تعداد عیوب را با تعبیه آن‌ها در ستون‌های نانو اندازه روی پلت فرم نیترید سیلیکون کنترل کنند، که به این پلت فرم اجازه می‌دهد تا به طور یکنواخت‌تر برای استفاده در یک مدار یکپارچه فوتونی ساخته شود.

یکی دیگر از مسائلی که شالایف و بولتاسوا با آن مقابله می‌کنند این است که تک فوتون‌ها به راحتی با یکدیگر برهمکنش نمی‌کنند و کنترل آن‌ها را روی یک تراشه با استفاده از سوئیچ‌ها سخت می‌کند.

در یک کامپیوتر معمولی، سوئیچ هایی به نام ترانزیستور، بیت ها را بین حالت های صفر و یک تغییر می دهند تا اطلاعات را پردازش کنند. به طور مشابه، سوئیچ ها در یک مدار مجتمع فوتونیک کوانتومی فوتون ها را قادر می سازند تا به عنوان کیوبیت عمل کنند.

تیم تحقیقاتی شالایف و بولتاسوا در مقاله‌ای در سال گذشته در Nature Nanotechnology گزارش دادند که سوئیچ‌هایی ساخته‌اند که می‌تواند در سطح تک فوتون‌ها کار کند.

سوئیچ اثبات مفهوم مکانیزمی را که صنعت برای تعدیل نور با یک پرتو نور با شدت بالا دیگر برای کاربردهایی مانند ارتباطات فیبر نوری استفاده کرده است، تطبیق می دهد. این مکانیسم، که غیرخطی نوری نامیده می‌شود، به پرتوهای نوری «کنترل‌کننده» اجازه می‌دهد تا با یک پرتو «کاوشگر» تعامل کند، اما در سطوح توانی که برای کار با فوتون‌های منفرد بسیار زیاد است.

با روش توسعه یافته توسط پوردو، یک فوتون منفرد از پرتو کنترل به سیلیکون برخورد می کند و الکترونی ایجاد می کند که سپس بهمنی از الکترون ها را تحریک می کند. این بهمن نحوه عبور نور از یک ماده را تغییر می دهد، که ضریب شکست آن را نیز تغییر می دهد، خاصیتی که انتشار نور را کنترل می کند. تغییر ضریب شکست سیلیکون به پرتو پروب این امکان را می دهد که تنها زمانی از دستگاه عبور کند که یک فوتون واحد فرآیند بهمن الکترونی را شروع کند و به طور موثر به فوتون اجازه می دهد پرتو را روشن و خاموش کند.

اگرچه کیوبیت‌های مبتنی بر فوتون‌ها کمتر تحت تأثیر محیط اطراف خود قرار می‌گیرند، اما یک اختلال می‌تواند باعث شود کیوبیت‌ها از برهم نهی یا درهم تنیدگی خارج شوند و در محاسبات رایانه‌های کوانتومی خطا ایجاد کنند.

به این نوع اغتشاش، عدم انسجام گفته می شود. الکساندر کیلدیشف، استاد مهندسی برق و کامپیوتر پوردو و پرانشو مان، دانشجوی فارغ التحصیل پوردو، تیمی را رهبری کردند که شامل شالایف و بولتاسوا بود تا رویکردی را به نمایش بگذارند که می‌تواند با پیش‌بینی ناهماهنگی قبل از وقوع، از عدم انسجام جلوگیری کند. این تیم یافته‌های خود را در ماه می سال جاری در Nature Communications منتشر کرد.

بولتاسوا گفت: "Decoherence به ظاهر تصادفی است، اما در واقع الگوی خاصی وجود دارد که می توان آن را تشخیص داد. این مطالعه گام مهمی در شناسایی چنین الگوی با استفاده از یادگیری ماشین برداشته است."

این تیم از طریق تجزیه و تحلیل آماری-فیزیکی دریافتند که روش عدم انسجام در طول زمان یک الگو را ارائه می دهد. آنها سپس از یادگیری ماشینی استفاده کردند تا تأیید کنند که این الگوها دارای اطلاعات قابل پیش بینی هستند. محققان این مولفه‌ها را به چارچوبی تبدیل کردند که می‌آموزد و می‌تواند دینامیک یک سیستم کوانتومی را پیش‌بینی کند، که پس از آن کنترل فعال ناپیوستگی را به جای پاسخ دادن به آن پس از وقوع آن ممکن می‌سازد.

با این چارچوب، محققان راهی را برای پیش‌بینی و کاهش یکی از علل اصلی ناهمدوسی به نام انتشار طیفی نشان دادند. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که یک فوتون ساطع شده به دلیل اختلالی که به طور طبیعی در محیط اطراف اتفاق می‌افتد، در سراسر طیف الکترومغناطیسی جابجا می‌شود و فرکانس فوتون و در نتیجه سطح انرژی آن را تغییر می‌دهد. از آنجا که برهم نهی تنها زمانی کار می کند که همه فوتون های یک سیستم کوانتومی از یکدیگر قابل تشخیص نباشند، تغییر در سطح انرژی یک فوتون منجر به از هم پاشیدن برهم نهی می شود.

محققان کشف کردند که جابه‌جایی‌های طیفی خاطره‌ای از نحوه سرگردانی فرکانس فوتون‌های گسیل‌شده در طول زمان را حفظ می‌کند و یک الگوی زمانی قابل پیش‌بینی را آشکار می‌کند. این تیم الگوریتمی با مکانیزم حافظه داخلی ایجاد کرد و آن را بر روی داده‌های تابشگرهای کوانتومی برای پیش‌بینی تغییرات طیفی آینده آموزش داد. با استفاده از این پیش‌بینی‌ها، آنها نشان دادند که یک رویکرد کنترل پیش‌بینی می‌تواند تغییرات طیفی را تا 20 برابر در سیستم‌های کوانتومی مورد مطالعه کاهش دهد.

تنها توانایی پیش‌بینی ناهمدوسی می‌تواند تأثیر زیادی بر عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی داشته باشد.

شالایف گفت: "شما نمی توانید از ناهماهنگی خلاص شوید - این قانون طبیعت است که همه چیز در نوسان است. اما اگر الگوی عدم انسجام را بشناسید و یاد بگیرید چگونه آن را کنترل کنید، می توانید آن را به حداقل برسانید."

فرض کنید برای اجرای یک الگوریتم کوانتومی به صد کیوبیت نیاز دارید، اما معمولا بسیار بیشتر از آن، مثلا 10000 کیوبیت، برای مقابله با خطاهای ناشی از عدم پیوستگی.

در اصل، این رویکرد می‌تواند پایه‌ای را برای پیش‌بینی ناهمدوسی در چندین سیستم کوانتومی، که برای ساخت معماری کوانتومی مقیاس‌پذیری که کامپیوترهای کوانتومی استفاده می‌کنند، مورد نیاز است، ایجاد کند. سپس این پیش‌بینی‌ها می‌توانند با تنظیم فعال ترکیب شوند تا ساطع‌کننده‌های مختلف را نزدیک‌تر نگه دارند، و عدم تشخیص و هماهنگ‌سازی فوتون‌هایی را که تولید می‌کنند، بهبود بخشد.

در مرحله بعد، تیم قصد دارد از ابزارهای فیزیک آماری برای استخراج ویژگی‌های پنهان محیط نوسان یک سیستم کوانتومی از دینامیک اندازه‌گیری شده آن استفاده کند. این بینش‌های فیزیکی در مدل‌های یادگیری ماشینی گنجانده می‌شود تا توانایی آن‌ها در پیش‌بینی عدم انسجام را بهبود بخشد. این تیم همچنین بررسی خواهد کرد که آیا مدل‌ها می‌توانند فرآیندهای میکروسکوپی مسئول تغییرات طیفی را با هدف بلندمدت پیش‌بینی و سرکوب ناهمدوسی قبل از اینکه به طور قابل توجهی حالت کوانتومی را مختل کند، شناسایی کنند.

پرانشو ماان و همکاران، پیش بینی عدم انسجام در سیستم های کوانتومی، ارتباطات طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-72829-3

اطلاعات مجله: Nature Communications , Nature Nanotechnology , Science Advances

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →