محاسبات کوانتومی : داستان پرفراز و نشیب رسیدن به باشکوه‌ترین فناوری‌ کوانتومی (قسمت سوم)

محاسبات کوانتومی : داستان پرفراز و نشیب رسیدن به باشکوه‌ترین فناوری‌ کوانتومی (قسمت سوم)

در دو قسمت قبلی مجموعه مقالات محاسبات کوانتومی، به معرفی این حوزه پرداختیم و پس از آن مبانی و مفاهیم فیزیکی لازم برای درک بهتر آن را توضیح دادیم. در این قسمت، نگاه خود را کمی کاربردی‌تر کرده و سیستم‌های تجربی که تاکنون برای تحقق محاسبات کوانتومی، پیاده‌سازی شده‌اند را، مرور خواهیم کرد.

تحقق فیزیکی

چالش‌های مهندسی زیادی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. کیوبیت‌ها دائما باید از واهمدوس شدن در امان نگه داشته شوند که این امر با کمینه کردن برهمکنش کیوبیت‌ها با جهان خارجی محقق می‌شود. با این حال، حتی بهترین سیستم‌ طراحی شده نمی‌تواند به طور کامل از ورود انتروپی به سیستم، جلوگیری کند، درست مانند ارتباطات بی‌سیم که همیشه در معرض مقداری نویز گرمایی هستند. پس از سرد کردن کیوبیت‌ها به یک حالت با انتروپی کم، کامپیوترهای کوانتومی باید بتوانند محاسباتشان را به اندازه‌ای سریع انجام دهند که قبل از واهمدوسی توسط نویز گرمایی یا سایر عوامل، یک پاسخ خروجی بدهند. همیشه نمی‌توان از واهمدوسی جلوگیری کرد، بنابراین مکانیسم‌های تصحیح خطا باید در سیستم حاضر باشند، مثلا مجموعه‌ای از کیوبیت‌های اضافی موجود باشند که حالات خراب شده قبل از اتمام محاسبات را، بتوانند بازگردانی کنند.

از طرفی، کامپیوترهای کوانتومی برای دستکاری حالتشان، به منابعی با قدرتی معادل ماشین تورینگ نیاز دارند تا به عنوان کامپیوترهای کوانتومی درنظر گرفته شوند. کامپیوترهای کوانتومی باید با گیت‌ها ساخته شوند. آن‌ها همچنین می‌توانند به صورت ماشین‌های حالت خوشه‌ای (cluster-state) یا بی‌دررو (adiabatic) ساخته شوند. در سیستم‌های بی‌دررو، پاسخ به یک محاسبه، به صورت حالت پایه‌ی شبکه‌ای از برهمکنش‌های کیوبیتی تعریف شده و سپس کیوبیت‌ها را با فعال کردن این برهمکنش‌ها به صورت متوالی، به حالت پایه می‌برد. در سیستم‌های حالت خوشه‌ای، یک حالت کوانتومی خاص، با دستکاری کیوبیت‌ها با مجموعه‌ی کوچکی از گیت‌های غیر جهانی ساخته می‌شود،‌ سپس جهانی بودن، با تغییر درجه اطمینان‌ اندازه‌گیری‌ها بدست می‌آید. سیستم‌های حالت خوشه و آدیاباتیکی که به طور معمولی ساخته شده‌اند، در قدرت دادن به کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر گیت، هم‌ارز بوده و همچنین پیاده‌سازی آن‌ها با فناوری‌های خاصی، ساده‌تر است.

در نهایت، تمام طراحی‌های کامپیوتر کوانتومی باید مقیاس‌پذیر باشند. کل نکته‌ی کامپیوترهای کوانتومی، این است که افزایش سرعت نمایی برای انواع معینی از مسائل می‌تواند با افزایش خطی منابع حاصل شود. در حالیکه کیوبیت‌ها به طور ارثی، قابلیت موازی‌کاری کوانتومی را دارا هستند، اما آن‌ها تنها مولفه‌ی یک سیستم فیزیکی نیستند. از طرفی، سیستم برای منزوی کردن کیوبیت‌ها از جهان خارجی و جلوگیری از واهمدوسی، برای بازگردانی حالت خراب، برای سرد کردن کیوبیت‌ها به حالت با انتروپی کم به منظور آماده‌سازی آن‌ها برای محاسبه و برای دسترسی به منابع به منظور دستکاری و اندازه گیری کیوبیت‌ها، به راهی نیاز دارد. این منابع، اغلب با چند مرتبه بزرگی، بزرگتر از مولفه‌های کامپیوترهای کلاسیکی هستند، بنابراین اگر سیستم، مقیاس‌پذیر باشد، تمام این منابع باید به طور خطی، با تعداد کیوبیت‌ها رشد کنند. تاکنون کامپیوترهای فیزیکی کوانتومی در قالب سیستم‌های متفاوتی پیاده‌سازی شده‌اند که در ادامه، 5 دسته‌ی مهم‌تر آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

کامپیوترهای تله اتمی

طراحی‌های تله اتمی از تک‌اتم‌ها به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند. آن‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی برای نگه‌داشتن اتم‌ها به صورت معلق با دقت نانومتر در خلا و در نزدیکی دماهای صفر مطلق، طراحی‌های سخت‌افزاری عجیبی را به کار می‌گیرند. همانطور که انتظار می‌رود، این شرایط بحرانی، به طور موثری در منزوی کردن اتم‌ها از اختلالات خارجی،‌ موثر هستند؛ در نتیجه این کیوبیت‌ها عموما همدوسی را خیلی طولانی‌تر از آنچه برای کامل کردن محاسبات کوانتومی لازم است، ‌حفظ می‌کنند که این امر، نقطه‌ی قوت این فناوری به شمار می‌آید.

یک دسته‌بندی فرعی رایج در این حوزه، کامپیوترهای تله یونی هستند. در این طراحی، لیزرها می‌توانند به عنوان گیت‌های منطقی عمل کنند. تبدیلات حالت کوانتومی هر کیوبیت می‌تواند با اعمال لیزرها به یون‌ها انجام شود و همچنین کیوبیت‌ها می‌توانند با یکدیگر درهم تنیده شوند. آماده‌سازی از طریق پمپ‌کردن نوری (فرایند بالا بردن تراز انرژی الکترون‌ها با استفاده از نور) انجام می‌شود که یون هدف را با حالات برانگیخته که در نهایت به یک تک‌حالت واپاشی می‌کنند، جفت می‌کند. این یون‌ها به وسیله‌ی یک لیزر اندازه‌گیری می‌شوند که اگر یون به یک حالت 1 تقلیل یافته باشد، باعث خواهد شد یون، فوتون‌ها را تابش کند، و اگر به حالت 0 تقلیل یافته باشد، هیچ چیزی تابش نکند. این طراحی‌ها دارای مشکلات مقیاس‌پذیری هستند، زیرا حساسیت و شکنندگی همدوسی، با افزودن یون‌های بیشتر، افزایش می‌یابد و این امر می‌تواند کارآمدی استفاده از لیزرها به عنوان گیت‌های منطقی را‌ کاهش دهد.

یکی از جایگزین‌های تله های یونی، اتم‌های خنثی هستند. در این طراحی، آرایه‌هایی از اتم‌ها با استفاده از یک شبکه نوری پرتوهای لیزری متقاطع، محصور می‌شوند. کیوبیت‌‌ها می‌توانند از طریق درهم تنیده کردن اتم‌های همسایه از طریق برهمکنش‌های تماسی، برهمکنش کنند. چالش عمده‌ی این طراحی، کنترل آماده‌سازی، برهمکنش و اندازه گیری کیوبیت‌هاست.

کامپیوترهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای

تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، پدیده‌ای است که هسته‌ها در یک میدان مغناطیسی، تابش را جذب و نشر می‌کنند. NMR برای مطالعه‌ی اثرات کوانتومی و فیزیک ملکولی و همچنین در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می‌شود. NMR در حال حاضر، یک فناوری نسبتا بالغ است،‌ بنابراین در سال 1966، روش‌هایی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از این فناوری پیشنهاد شد.

به طور کلی، کامپیوترهای کوانتومی NMR، می‌توانند به دو دسته تقسیم شوند: حالت جامد و حالت مایع. در هر دو مورد، کامپیوترهای NMR از کل ملکول‌ها به عنوان کیوبیت‌ها و از اسپین ملکولی کلی آن‌ها برای متمایز کردن حالات استفاده می‌کنند. متاسفانه نسبت ضعیف سیگنال به نویز، مانع مقیاس ‌پذیری طراحی‌های NMR‌ می‌شود. طراحی‌های حالت مایع NMR در ایجاد درهم تنیدگی کوانتومی مشکل دارند که این امر، مانع محاسبات کوانتومی واقعی می‌شود. علی‌رغم آنکه فناوری NMR، جزو بالغ‌ترین فناوری‌های فعلی طراحی‌ کامپیوتر کوانتومی به شمار می‌آید، اما به نظر می‌رسد به جای آنکه خودش منجر به توسعه‌ی کامپیوترهای NMR مقیاس‌بزرگ شود، بیشتر به پیشرفت و توسعه‌ی سایر فناوری‌های کوانتومی کمک کند.

کامپیوترهای فوتونی یا نوری

این دسته از کامپیوترهای کوانتومی، از فوتون‌ها به عنوان واحدهای سازنده‌اش استفاده می‌کند. یکی از نقاط قوت طراحی‌های فوتونی این است که فوتون‌ها در برابر واهمدوسی، نسبتا مقاوم‌اند، اما برعکس،‌ با استفاده از این فناوری دستیابی به برهمکنش‌هایی که منطق جهانی را امکان‌پذیر می‌کنند، نسبتا دشوار است.

در سال 2001، کنیل و همکارانش نشان دادند که کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتون، مقیاس‌پذیرند. با این حال، طراحی‌های امروزی از برهمکنش‌های غیرقطعی استفاده می‌کنند که مفیدبودن آن‌ها را کاهش می‌دهند،‌ چرا که پژوهش‌ها به سمت قطعی‌کردن برهمکنش‌ها پیش می‌روند. الگوریتم‌های کوانتومی ساده با استفاده از یک طراحی حالت خوشه و به کمک سیستم‌های فوتونی ثابت شده‌اند. مدارهای فعلی از گیت‌های منطقی حدود یک سانتی‌متری استفاده می‌کنند که چند مرتبه بزرگتر از همتایان کلاسیکی‌شان هستند،‌ اما از آنجایی که قدرت کامپیوترهای کوانتومی با افزایش خطی منابع فیزیکی، به صورت نمایی افزایش می‌یابد، مورد ذکر شده برای استفاده‌ی عملی، هنوز کوچک است.

کامپیوترهای نقطه کوانتومی

نقاط کوانتومی، بلورهای بسیار کوچکی هستند که با مشخصه‌های الکتریکی وابسته به اندازه و شکل بلور، به صورت شبه‌رسانا عمل می‌کنند. در محاسبات نقطه‌ی کوانتومی، از نقاط کوانتومی به عنوان کیوبیت استفاده می‌شود. جریان الکترون‌ها از طریق نقاط کوانتومی می‌تواند به دقت کنترل شود که در نتیجه، اندازه‌گیری دقیق اسپین و سایر ویژگی‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. در این حوزه هم مانند سایر فناوری‌های کامپیوتر کوانتومی، دسته‌بندی‌های فرعی متنوعی وجود دارد، مانند نقاط به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده و نقاط خودمونتاژگر. به علاوه، روش‌های متنوعی برای دستیابی به محاسبات جهانی با استفاده از نقاط کوانتومی پیشنهاد شده است؛ مثلا نقاط کوانتومی که هر یک، شامل یک تک الکترون هستند. در این طراحی، الکترون‌ها خودشان به عنوان کیوبیت عمل می‌کنند.

نقاط کوانتومی به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده و خود مونتاژگر، هر یک دارای نقاط ضعفی هستند. نقاط کوانتومی به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده، با برهمکنش تبادلی فوق‌العاده کوتاه‌برد مهار می‌شوند که محدودیت بزرگی برای اجرای تصحیح خطای کوانتومی تحمل خطاست. مشکل بزرگ نقاط کوانتومی خودمونتاژگر، ‌تصادفی بودن آن‌هاست،‌ در واقع آن‌ها در موقعیت‌های تصادفی شکل می‌گیرند و دارای مشخصه‌های نوری همگنی نیستند. تکنیک‌های پیشرفته‌ی تولید، برای کنترل محدود رفتار نقاط یا حتی امکان‌پذیر کردن قرارگیری قطعی آن‌ها، در حال کشف شدن هستند. کامپیوترهای نقطه کوانتومی،‌ توانایی کنترل شدن در یک پیکوثانیه بر هر عمل را نشان می‌دهند که نشان از پتانسیل آن‌ها برای محاسبات فوق‌العاده سریع دارد.

کامپیوترهای ابررسانا

مدارهای مجتمع کلاسیکی، از نشت زیاد توان رنج می‌برند و به خاطر همین مشخصه، اگر برای استفاده از آن‌ها در مدارهای کوانتومی تلاش می‌شد، واهمدوسی، بسیار سریع رخ می‌داد و در نتیجه اجازه‌ی محاسبات مفیدی را نمی‌داد. اما این واهمدوسی در ابررساناهای دمای پایین، بسیار کمتر است؛ بنابراین محققان تلاش می‌کنند با استفاده از این فناوری، مدارهای کوانتومی بسازند و خبر خوب اینکه با استفاده از روش‌های موجود،‌ می‌توان آن‌ها را تولید کرد. کیوبیت‌های ابررسانا نسبت به تمام طراحی‌های کامپیوتر کوانتومی، نزدیک‌ترین شباهت فیزیکی را به بیت‌های کلاسیکی دارند. آن‌ها از مدارهایی با یک اتصال جوزفسون (Josephson junction) ساخته می‌شوند، یعنی یک لایه‌ی عایق نازک که بخش‌‌های یک ابررسانا را جدا می‌کند. جریان الکترون‌ها در طول اتصال جوزفسون، منجر به ویژگی‌های فیزیکی می‌شود که مدار را برای استفاده به عنوان یک کیوبیت، مناسب می‌کند.

در این طرح، گیت‌های منطقی کوانتومی بنیادی، با داشتن جفت کیوبیت‌های مجاور، به صورت خازنی یا القایی، ساخته می‌شوند، اما این مکانیسم، خیلی قابل تنظیم نیست. پژوهش‌هایی درباره‌ی فعال یا غیرفعال کردن برهمکنش‌ها از طریق جفت‌های قابل تنظیم انجام شده و احتمال استفاده از این تکنیک برای دستیابی به محاسبات کوانتومی قابل تنظیم با ابررساناها، بررسی شده است.

در ابتدا اعتقاد بر این بود که ماهیت ماکروسکوپی کیوبیت‌های ابررسانا که از حدود 10 به توان 10 الکترون‌ِ هدایت استفاده می‌کنند، منجر به زمان‌های واهمدوسی سریع و غیرعملی خواهد شد. قطعا در آزمایش‌های اولیه، ابررساناهای کوانتومی، زمان‌های واهمدوسی در مقیاس نانوثانیه را تجربه کردند. اما پس از آن، زمان‌های واهمدوسی به چند میکروثانیه افزایش یافتند که یک یا دو مرتبه، طولانی‌تر از زمان‌ آماده‌سازی و اندازه‌گیری ابررساناست. با این وجود در حال حاضر، مبارزه با واهمدوسی سریع،‌ مهم‌ترین مانع در پیاده‌سازی کامپیوترهای کوانتومی ابررساناست و احتمالا مهندسی مواد میکروسکوپی برای کاهش نویز واهمدوسی، لازم خواهد بود.
 


ادامه دارد...
كلمات كليدي :
محاسبات کوانتومی , کیوبیت ابررسانا , کامپیوتر کوانتومی , کامپیوترهای نقطه کوانتومی
 
امتیاز دهی