پژوهش‌های انجام شده در مرکز شتاب‌دهنده سیستم‌های کوانتومی (Quantum Systems Accelerator – QSA) گامی مهم در تسریع توسعه کامپیوترهای کوانتومی پایدار و انعطاف‌پذیر برداشته است.
به گزارش phys.org این کامپیوتر‌ها توانایی‌هایی فراتر از ماشین‌های کلاسیک امروزی دارند و با پشتوانه اصولی که سال‌هاست شناخته شده، اکنون با مهندسی دقیق به سمت کاربرد‌های عملی پیش می‌روند.
یکی از پلتفرم‌های مطرح در حوزه فناوری کوانتومی، سیستم‌های یون‌گیر افتاده هستند که از میدان‌های الکتریکی برای به دام انداختن و جابجایی یون‌ها در پردازشگر کوانتومی استفاده می‌کنند. به کمک لیزرها، حالت‌های اتمی و حرکتی این یون‌ها به دقت کنترل می‌شود. این ساختار امکان نگهداری زنجیره‌های طولانی از کیوبیت‌های به هم پیوسته را فراهم می‌کند که در حالت همدوسی کوانتومی برای مدت طولانی باقی می‌مانند؛ ویژگی‌ای که این فناوری را در تحقیقات کوانتومی بسیار امیدبخش کرده است.
معماری «انچیلا دا»؛ گامی بزرگ برای افزایش ظرفیت کیوبیت‌ها
تیمی از محققان مرکز QSA در آزمایشگاه ملی سندیا به سرپرستی جاناتان استرک، تراپ چیپی طراحی و ساختند که توانایی نگهداری تا ۲۰۰ یون را دارد. این دستگاه که به نام «تراپ انچیلا دا» شناخته می‌شود، ویژگی‌های نوآورانه‌ای برای کاهش تلفات توان در فرکانس‌های رادیویی (RF) و ایجاد چندین منطقه عملیاتی متصل به هم از طریق مفاصل دارد.
با بالا بردن الکترود‌های RF و حذف مواد دی‌الکتریک عایق زیر آنها، ظرفیت خازنی کاهش یافته و در نتیجه تلفات انرژی هنگام اعمال ولتاژ ۱۵۰ تا ۳۰۰ ولت به طور چشمگیری کاهش یافته است. این نوآوری‌ها امکان ساخت تراپ‌های بزرگ‌تر و مقیاس‌پذیرتر را فراهم کرده که از محدودیت‌های تلفات توان فرار می‌کنند و می‌توانند کامپیوترهای کوانتومی قدرتمندتری بسازند.
این پروژه به صورت همکاری مشترک با محققان دانشگاه دوک و دانشگاه کرنل ادامه دارد و نمونه‌ای از تراپ انچیلا دا هم اکنون در دانشگاه کرنل در حال بهره‌برداری است.
جاناتان استرک درباره این پیشرفت می‌گوید: «ما متمرکز بر ساخت فناوری‌های لازم برای سیستم‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ هستیم و همکاری با دانشمندان برجسته جهان، امکان پیشبرد مرز‌های ممکن را برای ما فراهم کرده است.»
اجرای همزمان عملیات‌های دروازه‌ای
اگرچه سیستم‌های یون‌گیر افتاده کنترل دقیق و زمان همدوسی طولانی ارائه می‌دهند، یکی از محدودیت‌های اصلی آنها اجرای عملیات‌های دروازه‌ای به صورت متوالی است. گروهی از پژوهشگران QSA در دانشگاه مریلند به سرپرستی یینگ‌یوه ژو، این مشکل را با اجرای همزمان عملیات‌های دروازه‌ای حل کردند.
مشکل پیشین این بود که عملیات‌های همزمان بر روی کیوبیت‌ها تداخل داشتند، زیرا تمام دروازه‌ها از یک مجموعه حالت‌های حرکتی استفاده می‌کردند. اما تیم ژو با کنترل همزمان کیوبیت‌ها در جهات فضایی مختلف و استفاده از الگو‌های ارتعاشی متفاوت توانستند عملیات‌ها را به صورت موازی و بدون تداخل اجرا کنند.
این نوآوری امکان افزایش سرعت پردازش و توان عملیاتی اطلاعات را فراهم کرده و پایداری سیستم را بهبود می‌بخشد؛ زیرا عملیات کوانتومی به دلیل پدیده دکوهرنس (از دست رفتن همدوسی کوانتومی بر اثر تداخل با محیط) به زمان حساس است. افزایش تعداد عملیات‌ها در مدت زمان مشخص، قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد.
یینگ‌یوه ژو توضیح می‌دهد: «ما درجه آزادی پیش‌تر استفاده نشده‌ای را برای انجام عملیات موازی با دقت بالا و هزینه پایین کشف کردیم و این راه را برای تحقیقات بیشتر در زمینه عملیات موازی جدا شده با فرکانس باز می‌کند.»
تکنیک «اسکوییزینگ»؛ گسترش هم‌تنیدگی به گروه‌های بزرگ‌تر
کار کردن روی چند جفت کیوبیت هم‌تنیده شده، یکی از روش‌های مقیاس‌پذیری پردازنده‌های کوانتومی است، اما گروهی دیگر از محققان QSA در دانشگاه دوک به سرپرستی اور کاتز، تکنیکی پیشرفته برای هم‌تنیدگی گروه‌های بزرگ‌تر از یون‌ها ابداع کردند.
کاتز با استفاده از پالس‌های لیزری دقیق، امکان کنترل و جفت‌کردن کیوبیت‌های خاص را فراهم کرد. کلید نوآوری آنها در استفاده از روش «اسکوییزینگ» است که مقیاس حرکت یا موقعیت یون‌ها را به صورت وابسته به اسپین تغییر می‌دهد و همزمان عدم قطعیت در متغیر مکمل را افزایش می‌دهد (مطابق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ).
این تکنیک اجازه می‌دهد که چندین کیوبیت به طور همزمان و در یک گام هم‌تنیده شوند؛ کاری که با روش‌های معمول جفت‌به‌جفت دشوار است. این روش افق‌های تازه‌ای در کاربرد‌های اطلاعات کوانتومی و ساخت دروازه‌های پیچیده هم‌تنیدگی و هامیلتونی‌های چندجسمی باز می‌کند.
اور کاتز می‌گوید: «این تکنیک ابزار جدیدی برای مهندسی دروازه‌های هم‌تنیدگی فراتر از محدودیت‌های جفتی فراهم کرده و امکان طراحی هامیلتونی‌های پیچیده و بسیاری از کاربرد‌های دیگر را باز می‌کند.»
گامی نوین در ارزیابی عملکرد کوانتومی
معمولاً عملکرد کامپیوترهای کوانتومی در پایان محاسبات سنجیده می‌شود، اما انجام اندازه‌گیری‌ها در میانه عملیات، هرچند پیچیده‌تر است، فرصت‌های جدیدی برای ارزیابی و کنترل سیستم به صورت تعاملی فراهم می‌کند.
در مطالعه‌ای که توسط دای‌وی ژو و همکارانش در دانشگاه مریلند انجام شد و در مجله Nature Physics منتشر گردید، این تیم با جداسازی فضایی یون‌ها با تنظیم دقیق ولتاژ‌ها امکان اندازه‌گیری در میانه عملیات را فراهم کردند. این کار دشوار است، زیرا اندازه‌گیری یک کیوبیت ممکن است به طور ناخواسته کیوبیت‌های مجاور را تحت تأثیر قرار دهد.
با جداسازی بخش‌هایی از زنجیره یون‌ها، آنها می‌توانند این یون‌ها را بدون تداخل با بقیه شاتل کنند و اندازه‌گیری کنند. این عملیات حساس امکان آزمایش‌های متداول در سیستم‌های کلاسیک را در فضای کوانتومی فراهم می‌آورد.
ژو و تیمش با استفاده از این روش، دو پروتکل تعاملی پیاده‌سازی کردند که شواهد قابل تایید کلاسیکی از برتری کوانتومی ارائه می‌دهد؛ یکی مبتنی بر مسئله یادگیری با خطا (Learning With Errors – LWE) و دیگری مبتنی بر تست بل کامپیوتیشنی.
این پروتکل‌ها وظایفی را تعریف می‌کنند که حل آنها برای کامپیوترهای کلاسیک دشوار است، ولی در حین تعامل با کامپیوتر کوانتومی از طریق اندازه‌گیری در میانه عملیات قابل تایید می‌شود. این آزمایش برای اولین بار توانست برتری کوانتومی را به صورت محاسباتی، نه صرفاً فیزیکی، اثبات کند.
دای‌وی ژو اظهار داشت: «این کار نقشه راهی برای استفاده از اندازه‌گیری‌های میانه عملیات در پروتکل‌های رمزنگاری فراهم می‌کند که شواهد قابل تایید کلاسیکی از کوانتومی بودن سیستم ارائه می‌دهد.»
تلاش‌های مداوم برای بهبود کارایی، مقیاس‌پذیری، پایداری و تعاملی‌تر کردن کامپیوترهای کوانتومی، ما را به روزی نزدیک‌تر می‌کند که مسائل پیش‌پاافتاده و غیرقابل حل امروز، در آینده‌ای نه چندان دور قابل حل شوند.
مرکز QSA در خط مقدم این پیشرفت‌ها قرار دارد و هر گام مهندسی و فنی جدید، ما را به عصر تازه‌ای در محاسبات نزدیک‌تر می‌کند.
جهش بزرگ در قدرت کامپیوترهای کوانتومی یون‌گیر
نظر شما