آخرین اخبار
اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیق حالت‌های اتمی در محاسبات کوانتومی

اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیق حالت‌های اتمی در محاسبات کوانتومی

کیوبیت‌ ها واحد بنیادی اطلاعات در کامپیوترهای کوانتومی‌اند، بنابراین اندازه‌گیری دقیق آن‌ها می تواند در توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی بسیار مفید باشد. در مقاله‌ای که به تازگی در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده، روشی جدید برای اندازه‌گیری کیوبیتها ارائه شده که با توجه موقعیت‌ اتم‌ها در شبکه، حالت کوانتومی آن‌ها را با دقتی بسیار بالاتر از روش‌های پیشین تعیین می‌کنند.

گروهی از دانشمندان روش جدیدی برای اندازه گیری حالت‌ کوانتومی کیوبیت های اتمی، با خطایی تا بیست برابر کمتر از روش‌های پیشین و بدون از دست دادن هیچ اتمی ابداع کردند. اندازه‌گیری دقیق حالت‌های کیوبیت که قابل قیاس با حالت ‌های صفر و یک بیت‌ها در محاسبات سنتی است، گامی اساسی در توسعه کامپیوترهای کوانتومی می‌باشد. نتایج این پژوهش در مجله Nature Physics  منتشر شده است. دیوید ویز استاد فیزیک و سرپرست این گروه تحقیقاتی عنوان می‌کند :

ما در حال کار برای توسعه‌ی یک کامپیوتر کوانتومی هستیم که یک آرایه‌ی سه بعدی از اتم‌های سزیم به دام افتاده و به صورت لیزری سرد شده‌ را به عنوان کیوبیت استفاده می‌کند. طبق قوانین مکانیک کوانتومی، کیوبیت ‌های اتمی می‌توانند در یک برهم نهی از دو حالت قرار گیرند، بدین معنی که می توانند به طور همزمان در دو حالت باشند. برای خواندن نتیجه‌ی یک محاسبه کوانتومی، باید روی هر اتم، یک اندازه‌گیری انجام داد. در هر اندازه گیری، هر اتم، تنها در یکی از دو حالت ممکن خود یافت می‌شود. احتمال نسبی دو نتیجه، به حالت برهم ‌نهی قبل از اندازه‌گیری بستگی دارد.

دانشمندان برای اندازه‌گیری حالت‌های کیوبیت‌ ابتدا ۱۶۰ اتم را با استفاده از لیزرها سرد کرده و در یک شبکه سه بعدی با محورهای X، Y و Z  به دام می‌اندازند. در ابتدا لیزرها تمام اتم‌ها را به صورت یکسان و بدون در نظرگرفتن حالت کوانتومی آن ها به دام می‌اندازند. سپس محققان قطبش یکی از پرتوهای لیزر که شبکه X را تولید می کند، می‌چرخانند که اتم‌ها را از نظر فضایی در یک حالت کیوبیت به چپ جابه جا می کند و اتم‌های در حالت دیگر کیوبیت را به سمت راست تغییر می‌دهد. اگر اتمی در شروع در یک برهم نهی از دو حالت کیوبیت باشد، در پایان، در یک برهم ‌نهی از حالت حرکت یافته به چپ و حرکت یافته به سمت راست خواهد بود. آن‌ها سپس به شبکه X با فضای شبکه‌ای کمتر جابه‌جا می‌شوند که اتم‌ها را در برهم‌نهی جدیدشان از موقعیت‌های تغییریافته، محکم به دام می‌اندازد.

پس هنگامی که نور از هر اتم برای مشاهده‌‌ی اینکه کجاست، پراکنده می‌گردد، مشخص می‌شود که هر اتم، با احتمالی که به حالت اولیه‌اش بستگی دارد، به چپ یا راست جابه‌جا شده است. اندازه‌گیری مکان هر اتم، هم‌ارز اندازه‌‌گیری حالت کیوبیت اولیه‌ی آن است. ویز می گوید:

برای آنکه بتوان حالت‌های درونی را به مکان‌های فضایی، ارتباط داد و آن را به یک اندازه‌گیری ایده‌آل تبدیل کرد، هنوز راهی طولانی در پیش است. مزیت دیگر رویکرد ما، آن است که این اندازه‌گیری‌ها منجر به از دست رفتن هیچ یک از اتم‌هایی که در حال انداز‌ه‌گیری آنها هستیم، نمی‌شود، چرا که این مورد، عامل محدود کننده در بسیاری از روش‌های پیشین بود.

محققان دقت روش جدید خود را با بارگذاری شبکه‌هایشان با اتم‌هایی در حالت یک یا حالت‌های دیگر و انجام ‌اندازه‌گیری تعیین کردند. آن‌ها توانستند حالت‌های اتم را با صحت ۹۹۹۴/۰ اندازه‌گیری کنند؛ یعنی در هر ده هزار اندازه‌گیری، فقط ۶ خطا وجود داشت؛ بهبودی بیست برابری نسبت به روش‌های پیشین. علاوه بر این، نرخ خطا متاثر از تعداد کیوبیت‌هایی که در هر آزمایش اندازه می‌گرفتند، نبود و از آنجایی که هیچ اتمی از دست نرفت، می‌شد آنها را در یک کامپیوتر کوانتومی برای انجام محاسبه‌ی بعدی دوباره استفاده کرد. ویز بیان می کند که:

روش ما مشابه با آزمایش اشترن-گرلاخ تاریخی در سال ۱۹۲۲ است. در این آزمایش پرتویی از اتم‌های نقره از یک میدان مغناطیسی ناهمگن عبور داده شدند، به گونه‌ای که قطب‌های N آن‌ها بر جهت میدان، عمود بودند. هنگامی که اشترن و گرلاخ مشاهده کردند که نیمی از اتم ها به بالا و نیمی ‌دیگر به پایین منحرف می شوند، ایده‌ی برهم نهی کوانتومی تایید شد. ما نیز در این آزمایش، حالت‌های کوانتومی درونی اتم‌ها را به مکان فضایی ارتباط داده‌ایم.

منبع: phys.org
كلمات كليدي :
کیوبیت