مرور بر اساس

دانشمندان اولین دروازه دو کیوبیتی سیلیکونی را ساختند


دانشمندان پر‌سرعت‌ترین دروازه‌ها‌ی کوانتومی دو‌ کیوبیتی را ساختند که در ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی بسیار کاربردی است.

دانشمندان با هدف پیشرفت رایانش کوانتومی در مقیاس اتمی، اولین دروازه‌ی دو‌ کیوبیتی را در بین اتم‌ها‌ی سیلیکون ساختند. این دروازه‌ به کیوبیت‌ها امکان می‌دهد با یکدیگر ارتباط برقرار‌ و سریع‌تر از همیشه عمل کنند.  ازآنجاکه دروازه‌ی دو‌ کیوبیتی عنصر اساسی سازنده‌ی کامپیوتر کوانتومی محسوب می‌شود، این دستاورد کارایی‌ها‌ی بسیار جالبی دارد. 

میشل سیمونز، فیزیک‌دان کوانتوم دانشگاه نیوساوت‌ولز (UNSW) استرالیا گفت:

بسیاری از مردم فکر می‌کردند این دستاورد ممکن نیست. 

کیوبیت‌ها (واحد‌ها‌ی اصلی اطلاعات) بیت‌ها‌ی کوانتومی هستند و هم‌ارز بیت‌ها‌ی دو‌تا‌یی به‌شمار می‌آیند. با‌وجوداین‌، در‌حالی‌که بیت‌ها در یکی از دو حالت صفر یا یک قرار می‌گیرند، یک کیوبیت می‌تواند به‌صورت هم‌زمان هر دو حالت صفر و یک را بسته به حالت اسپینشان به‌خود بگیرد. همین ویژگیِ داشتن حالت صفر و یک به‌صورت هم‌زمان به‌نام بر‌هم‌نهی (Superposition) شناخته می‌شود. 

همان‌طورکه پیش‌تر در ابتدای امسال گزارش شده بود، ماندن کیوبیت‌ها در یک بر‌هم‌نهی به کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی این امکان را می‌دهد تا با تکیه بر احتمال حالت شیء قبل از اندازه‌گیری آن، محاسبات پیچیده‌ی ریاضی را انجام‌ دهند؛ اما برای انجام محاسبات مؤثر‌تر و مفید‌تر، کیوبیت‌ها باید بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار‌ کنند. در سال ۲۰۱۵، تنها تیم دانشگاه UNSW توانست به دروازه‌ها‌ی دو‌ کیوبیتی دست‌ پیدا‌ کند. 

با پیشرفت هرچه‌بیشتر فناوری، پژوهشگران در اوایل سال جاری توانستند دقت عملیات دو‌ کیوبیت را اندازه‌گیری‌ کنند. در‌حال‌حاضر، تیم دیگری که سیمونز هدایت می‌کند، توانسته زمان عملیات دو‌ کیوبیت را به ۰.۸ نانو‌ثانیه کاهش‌ دهد. تیم پژوهشی این کار را با قرار‌دادن دو کیوبیت اتمی در فاصله‌ی بسیار نزدیک‌تر از قبل و اندازه‌گیری و کنترل به‌موقع حالت اسپین آن‌ها انجام داده است. سرعت این عملیات دو‌ کیوبیت، ۲۰۰ بار بیشتر از هر عملیات دو‌ کیوبیت دیگری است که تا‌کنون انجام‌ شده است. 

سیمونز گفت:

کیوبیت‌ها‌ی اتمی رکورد بیشترین زمان همدوسی را در سیلیکون با بیشترین میزان انسجام دارند. بهینه‌سازی همه‌ی جنبه‌ها و قسمت‌ها‌ی طراحی دستگاه در مقیاس اتمی، به ما این اجازه را می‌دهد تا دروازه‌ی دو‌کیوبیتی بسیار دقیق و پر‌سرعتی بسازیم. این دروازه‌ها‌ی دو‌ کیوبیتی اصلی‌ترین عنصر سازنده‌ی کامپیوتر کوانتومی سیلیکونی هستند. 

کار انجام‌شده بسیار جالب و شوکه‌کننده‌ است. تیم پژوهشی اول از همه باید فاصله‌ی دقیق و بهینه‌ی دو اتم فسفرسانس را پیدا کند که برای عملیات کوانتومی استفاده می‌شوند. گفتنی است میزان این فاصله، ۱۳ نانو‌متر به‌دست آمده است. سپس، پژوهشگران باید از میکروسکوپ تونلی روبشی (ابزار طراحی‌شده برای تصویربرداری از سطوح مواد در مقیاس اتمی) استفاده می‌کردند تا درست همانند خواندن و کنترل اسپین کیوبیت‌ها به‌منظور مدار‌بندی، اتم‌ها را با دقت بسیار در سیلیکون قرار دهند.

دروازه کوانتومی

تیم پژوهشی یاد‌شده نه‌تنها توانست تغییرات کیوبیت‌ها را به‌موقع اندازه‌گیری‌کند؛ بلکه قدرت بر‌هم‌کنش دو کیوبیت را نیز کنترل‌ کرد.

یو هی، فیزیک‌دان کوانتومی گفت:

می‌توانستیم الکترون‌ها‌ی کیوبیت‌ها را دور‌تر و نزدیک‌تر کنیم و با این کار، بر‌هم‌کنش میان آن‌ها را فعال و غیر‌فعال کنیم که پیش‌نیاز دروازه‌ی کوانتومی محسوب می‌شود. محبوس‌شدگی تنگاتنگ الکترون‌ها‌ی کیوبیت‌ها که تنها در رهیافت ما لازم بوده است و ذات کم‌نویز سیستم به ما این امکان را داد تا بتوانیم سریع‌ترین دروازه‌ی کوانتومی در سیلیکون را به‌نمایش بگذاریم که تا‌به‌حال ساخته‌ شده‌ است. 

هی در دامه اضافه‌ کرد:

این طراحی برای انتقال اطلاعات بین دو کیوبیت بسیار مناسب است و اگر با دروازه‌ی تک‌کیوبیتی ترکیب‌ شود، می‌تواند هر الگوریتمی که به آن بدهید، اجرا‌ کند. 

این کار ازنظر تئوری مقیاس‌پذیر است. گسترش و پیشرفت بیشتر آن زمان بیشتری خواهد‌ گرفت؛ اما این دستاورد رویداد مهمی است که راه را به‌سوی مقیاس‌پذیری باز می‌کند. 

اِما جانستون، رئیس علوم UNSW گفت:

این دستاورد یکی از اهداف مهم تیم میشل سیمونز بوده‌ است. آن‌ها قصد‌ داشتند با استفاده از این دستاورد نشان‌ دهند که واقعا می‌توانند با استفاده از کیوبیت‌ها‌ی اتمی کامپیوتر کوانتومی بسازند. هدف اصلی بعدی آن‌ها ساختن مدار کوانتومی ۱۰ کیوبیتی کاربردی است و امیدواریم بتوانند در سه‌چهار سال آینده به آن دست‌ پیدا‌ کنند. 

پژوهشگران این پروژه مقاله‌ی خود را در مجله‌ی Nature منتشر‌ کردند. 



Source link