فیزیکدانان عملیات منطقی را بین یون‌های جدا شده، از دور منتقل می‌کنند

مفهوم محاسبه کوانتومی (تصویر آرشیوی)
اعتبار: © Siarhei / Adobe Stock
 

فیزیکدانان در مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) یک دستور مدار کامپیوتری را که به عنوان یک عمل منطقی کوانتومی بین دو یون جدا شده (اتمهای با بار الکتریکی) شناخته می شود، دور انتقالی کرده‌اند، و این را که چگونه برنامه های کامپیوتری کوانتومی می توانند در شبکه های کوانتومی بزرگ مقیاس در آینده وظایف خود را انجام دهند به نمایش گذاشتند.
 
دور انتقالی کوانتومی، داده ها را از یک سیستم کوانتومی (مانند یک یون) به دیگری (مانند یون دوم) انتقال می دهد، حتی اگر این دو به طور کامل از یکدیگر جدا باشند، مثل دو کتاب در زیرزمین های ساختمان های جدا از هم. در این شکلِ دور انتقالی زندگی واقعی، تنها اطلاعات کوانتومی، و نه ماده، انتقال داده می شود، بر خلاف ویرایش پرتو شدگی کل انسان برای انتقال از مثلاً سفینه به سیاره در فیلم  پیشتازان فضا.
 
دور انتقالی داده های کوانتومی قبلا با یون ها و انواع دیگر سیستم های کوانتومی نشان داده شده است. اما در این کار جدید اولین بار است که یک عملیات کامل منطق کوانتومی با استفاده از یون ها، که یک نامزد پیشرو برای معماری رایانه های کوانتومی آینده هستند، دور انتقالی می شود. آزمایش ها در مجله ساینس به طور جزئی تشریح شده است.
 
دیتریش لیبفرید، فیزیکدان مؤسسه NIST، گفت: "ما تحقیق کردیم که عملیات منطقی ما در تمام حالت های ورودی دو بیت کوانتومی با احتمال 85 تا 87 درصد کار می کند - که دور از حالت کمال است، اما برای شروع بد نیست."
 
یک کامپیوتر کوانتومی تمام مقیاس، اگر بتوان آن را ساخت، می تواند مشکلات ویژه ای را حل کند که در حال حاضر رام نشدنی هستند. مؤسسه NIST به تلاش های تحقیقاتی جهانی جهت مهار کردن رفتار کوانتومی برای تکنولوژی های عملی کمک کرده است، که از جمله آنهاست تلاش برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی.
 
برای این که کامپیوترهای کوانتومی آن چنان که امید می رود عمل کنند، احتمالا به میلیون ها بیت کوانتومی یا "کیوبیت" نیاز دارند و همچنین به راه هایی برای هدایت عملیات بین کیوبیت‌های توزیع شده در سراسر ماشین ‌ها و شبکه های بزرگ مقیاس. دور انتقالیِ عملیات منطقی راهی است برای انجام این کار بدون اتصال‌ های مکانیکی کوانتومی مستقیم (البته به اتصالات فیزیکی برای تبادل اطلاعات کلاسیکی همچنان نیاز خواهد بود).
 
تیم NIST یک عملیات منطقی یا دروازه منطقی NOT کنترل شده از طریق کوانتومی ((CNOT، را بین دو کیوبیت یونی بریلیوم که بیش از 340 میکرومتر (میلیونم متر) در نواحی جداگانه یک دام یونی جدا شده بودند دور انتقالی کرد؛ این فاصله ای است که از هر گونه فعل و انفعال مستقیم قابل توجه بین آن دو ممانعت به عمل می آورد. تنها در صورتی که اولین کیوبیت 1 باشد یک عملیات CNOT کیوبیت دوم را از 0 به 1  یا از 1 به 0 تغییر می دهد؛ و در صورتی که اولین کیوبیت 0 باشد هیچ اتفاقی صورت نخواهد گرفت. در روش کوانتومی نوعی، هر دو کیوبیت‌ ها می توانند در یک "حالت‌ های برهم نهی" باشند که در آن هر دو، مقادیر 1 و 0 را به طور همزمان دارند.
 
فرآیند دور انتقالی NIST بر درگیری استوار است، که خواص کوانتومی ذرات را حتی زمانی که از هم جدا هستند به هم پیوند می دهد. از یک جفت "پیام رسان" از یون های منیزیمِ درگیر شده برای انتقال اطلاعات بین یون های بریلیوم (infographic را ببینید) استفاده می شود.
 
تیم NIST دریافت که فرآیند CNOT دور انتقال شده ‌اش – در یک مرحله قاطع اولیه - دو یون منیزیم را با میزان موفقیت 95٪ درگیر کرد، در حالی که عملیات منطق کامل 85٪ تا 87٪ زمان‌ ها موفق بود.
 
لیبفرید گفت: "دور انتقالی دروازه ای به ما اجازه می دهد که یک دروازه منطقی کوانتومی را بین دو یونی که از نظر فضایی جدا شده اند و ممکن است هرگز با هم قبلاً ارتباط نداشته باشند اجرا کنیم." دور انتقالی کوانتومی، داده ها را از یک سیستم کوانتومی (مانند یک یون) به دیگری (مانند یون دوم) انتقال می دهد، حتی اگر این دو به طور کامل از یکدیگر جدا باشند "ترفند این است که هر یک از آنها یک یون از یک جفت درگیر دیگر کنار خود دارند، و این منبع درگیری، که در جلو دروازه توزیع شده است، به ما اجازه انجام یک ترفند کوانتومی را می دهد، و این چیزی است که همتای کلاسیکی ندارد."
 
لیبفرید اضافه کرد: "جفت های پیام رسان درگیر می توانند در یک بخش اختصاصی کامپیوتر تولید شوند و به طور جداگانه به کیوبیت هایی ارسال شوند که نیاز دارند با یک دروازه منطقی به هم متصل شوند اما در مکان های دور قرار دارند."
 
کار NIST همچنین برای اولین بار چندین عملیات اساسی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ مقیاس مبتنی بر یون ها، از جمله کنترل انواع مختلف یون ها، انتقال یون و عملیات درگیری روی زیر مجموعه های منتخب سیستم، را در داخل یک آزمایش منفرد یکپارچه کرد.
 
برای تحقیق اثباتی این که آنها یک دروازه CNOT را انجام دادند، محققان اولین کیوبیت را در 16 ترکیب مختلف حالت های ورودی آماده کردند و سپس خروجی ها را روی کیوبیت دوم اندازه گیری کردند. این امر یک جدول «حقیقت» کوانتومی تعمیم داده شده را تولید کرد که نشان داد که این روند کار می کند.
 
محققان علاوه بر ایجاد یک جدول حقیقت، سازگاری داده ها را روی زمان های اجرای توسعه یافته چک کردند تا به تشخیص منابع خطا در تنظیم آزمایشی کمک کنند. انتظار می رود این تکنیک یک ابزار مهم در توصیف فرآیندهای اطلاعات کوانتومی در آزمایش های آینده باشد.
 
این کار توسط دفتر مدیر هوش ملی، فعالیت پروژه های تحقیقاتی پیشرفته هوش، و دفتر تحقیقات دریایی پشتیبانی شد.
 
منبع: مطالب ارائه شده توسط موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST)