در آینده، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند نقش مهمی در شبیه‌سازی سریع مواد جدید یا توسعه مدل‌های یادگیری ماشین ایفا کنند و دروازه‌ای به‌سوی کاربرد‌های نوین بگشایند. با این‌حال، تحقق چنین کاربرد‌هایی تنها زمانی ممکن خواهد بود که رایانه‌های کوانتومی قادر باشند عملیات خود را با سرعت بسیار بالا انجام دهند؛ به‌گونه‌ای که دانشمندان بتوانند پیش از آنکه نرخ خطا‌ها افزایش یابد و دقت سامانه کاهش یابد، اندازه‌گیری‌ها و اصلاحات لازم را اعمال کنند.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، کارایی این فرآیند اندازه‌گیری، که با عنوان «خوانش کوانتومی» (readout) شناخته می‌شود، به میزان قدرت برهم‌کنش میان فوتون‌ها (ذرات نوری حامل اطلاعات کوانتومی) و اتم‌های مصنوعی (واحد‌هایی از ماده که اغلب برای ذخیره اطلاعات کوانتومی به‌کار می‌روند) وابسته است.

اکنون پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق شده‌اند آنچه را که قوی‌ترین برهم‌کنش غیرخطی نور و ماده در یک سامانه کوانتومی خوانده می‌شود، به‌صورت تجربی نشان دهند. این دستاورد می‌تواند گامی تعیین‌کننده در مسیر انجام عملیات و خوانش کوانتومی در بازه‌های زمانی چند نانوثانیه‌ای باشد. نتایج این تحقیق در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.

پژوهشگران با بهره‌گیری از معماری نوینی در مدار‌های ابررسانا توانستند برهم‌کنشی غیرخطی میان نور و ماده را نشان دهند که تقریباً ده برابر قوی‌تر از نمونه‌های پیشین است. این تقویت می‌تواند منجر به ساخت پردازنده‌های کوانتومی شود که ۱۰ برابر سریع‌تر عمل می‌کنند.

اگرچه هنوز مسیر زیادی تا استفاده عملی از این معماری در رایانه‌های کوانتومی واقعی باقی مانده است، اما اثبات اصول فیزیکی این پدیده، یک گام مهم در جهت پیشرفت به‌سوی محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا به‌شمار می‌رود. به‌گفته یوفنگ (برایِت) یه، نویسنده اصلی این مقاله، این پیشرفت می‌تواند یکی از گلوگاه‌های اساسی رایانش کوانتومی را از میان بردارد.

او می‌گوید: «در محاسبات کوانتومی، معمولاً لازم است که میان دور‌های مختلف اصلاح خطا، نتایج محاسبه اندازه‌گیری شوند. این دستاورد می‌تواند سرعت ما را برای رسیدن به مرحله رایانش کوانتومی مقاوم در برابر خطا و بهره‌برداری واقعی از ظرفیت‌های آن افزایش دهد.»

یه در این پژوهش با کوین اوبراین، نویسنده ارشد مقاله و استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT و سرپرست گروه «الکترونیک کوهرنت کوانتومی» همکاری داشته است. دیگر اعضای تیم تحقیقاتی نیز از MIT، آزمایشگاه لینکلن MIT و دانشگاه هاروارد هستند.

ابداع یک کوپلر جدید کوانتومی

این دستاورد فیزیکی بر پایه چندین سال تحقیق نظری در گروه پژوهشی اوبراین حاصل شده است. دکتر یه، از زمان پیوستن به این گروه در سال ۲۰۱۹ به‌عنوان دانشجوی دکتری، روی توسعه یک آشکارساز فوتون ویژه برای بهبود پردازش اطلاعات کوانتومی کار کرده است. در جریان این تحقیق، او نوع جدیدی از «کوپلر کوانتومی» (quarton coupler) را ابداع کرد؛ دستگاهی که به برقراری تعامل بین کیوبیت‌ها کمک می‌کند. کیوبیت‌ها اجزای بنیادی تشکیل‌دهنده رایانه‌های کوانتومی هستند.

کوپلر کوارتون نوعی مدار ابررسانای خاص است که قادر است برهم‌کنشی بسیار قوی و غیرخطی میان نور و ماده ایجاد کند؛ ویژگی‌ای که برای اجرای بسیاری از الگوریتم‌های کوانتومی ضروری است. هرچه جریان بیشتری به این کوپلر وارد شود، برهم‌کنش غیرخطی شدیدتری نیز تولید می‌گردد. در این زمینه، «غیرخطی‌بودن» به این معناست که رفتار سامانه چیزی فراتر از مجموع اجزای آن است و ویژگی‌هایی پیچیده‌تر از انتظار نشان می‌دهد.

یه توضیح می‌دهد: «بیشتر تعاملات مفید در محاسبات کوانتومی از طریق برهم‌کنش غیرخطی میان نور و ماده حاصل می‌شود. اگر بتوان تنوع بیشتری در انواع این برهم‌کنش‌ها ایجاد کرد و قدرت آنها را افزایش داد، می‌توان سرعت پردازش رایانه کوانتومی را نیز بالا برد.»

معماری نوین برای خوانش سریع‌تر کوانتومی

برای فرآیند خوانش کوانتومی، پژوهشگران نور مایکروویو را به یک کیوبیت می‌تابانند و با توجه به اینکه کیوبیت در حالت صفر یا یک قرار دارد، فرکانس تشدیدگر (رزوناتور) مرتبط با آن تغییر می‌کند. اندازه‌گیری این تغییر فرکانسی، وضعیت کیوبیت را مشخص می‌سازد. برهم‌کنش غیرخطی میان نور و ماده میان کیوبیت و تشدیدگر، امکان این اندازه‌گیری را فراهم می‌سازد.

پژوهشگران MIT با طراحی مداری متشکل از یک کوپلر کوارتون متصل به دو کیوبیت ابررسانا روی یک تراشه، این برهم‌کنش را نشان دادند. در این معماری، یکی از کیوبیت‌ها به‌صورت تشدیدگر عمل می‌کند و کیوبیت دیگر به‌عنوان اتم مصنوعی اطلاعات کوانتومی را ذخیره می‌سازد. این اطلاعات از طریق فوتون‌های نور مایکروویو منتقل می‌شود.

یه می‌گوید: «تمام ساختار یک رایانه کوانتومی ابررسانا، بر پایه تعامل میان این اتم‌های مصنوعی و نور مایکروویو که حامل سیگنال است، بنا شده است.»

قدرت این برهم‌کنش غیرخطی میان کیوبیت و رزوناتور در این معماری حدود ۱۰ برابر بیشتر از نمونه‌های قبلی است. این پیشرفت می‌تواند امکان خوانش فوق‌سریع اطلاعات کوانتومی را فراهم آورد.

اوبراین در این‌باره می‌افزاید: «این پایان راه نیست. آنچه ما انجام داده‌ایم، صرفاً نمایش اصول فیزیکی بنیادی است؛ ولی هم‌اکنون در گروه روی توسعه مدار خوانشی کار می‌کنیم که با افزودن اجزای الکترونیکی دیگر مانند فیلترها، بتواند در سامانه‌های کوانتومی بزرگ‌تر به‌کار رود.»

کاربرد‌های آتی و امید به تحقق رایانش کوانتومی واقعی

افزون بر برهم‌کنش نور و ماده، پژوهشگران برهم‌کنش بسیار قوی بین اجزای مادی (یعنی کیوبیت‌ها) را نیز به‌نمایش گذاشته‌اند؛ نوعی دیگر از تعامل که برای اجرای عملیات کوانتومی اهمیت دارد و محور پژوهش‌های آینده آنها خواهد بود.

از آنجا که کیوبیت‌ها طول عمر محدودی دارند (مفهومی که با عنوان «زمان همدوسی» یا coherence time شناخته می‌شود)، سرعت بالا در عملیات و خوانش، اهمیتی مضاعف می‌یابد. با تقویت برهم‌کنش غیرخطی، پردازنده کوانتومی می‌تواند با دقت بیشتر و در زمان کوتاه‌تری عمل کند. این به کیوبیت‌ها امکان می‌دهد تا در طول عمر کوتاه خود، دور‌های بیشتری از اصلاح خطا را طی کنند و در نهایت خطای نتایج کاهش یابد.

به‌گفته یه، «هرچه بتوان تعداد بیشتری از اصلاحات خطا را اجرا کرد، میزان خطای خروجی کمتر خواهد بود.»

در افق بلندمدت، این پژوهش می‌تواند به ساخت رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا منجر شود؛ گامی کلیدی برای تحقق محاسبات کوانتومی در مقیاس وسیع و کاربردی.