بیگ بنگ: محققان دانشگاه کلرادو بولدر و موسسه ملی استاندارد و فناوری(NIST) در یک مطالعه جدید نشان دادند که ترامپولین میکروسکوپی می­ تواند به مهندسان برای غلبه بر یک مانع عمده بر سر راه کامپیوترهای کوانتومی کمک کند.

به گزارش بیگ بنگ، این تحقیق از لحاظ عملی گام مهمی برای محاسبات کوانتومی است: چگونه می­توان سیگنال­‌های ریزموج، مانند آنچه که توسط تراشه­‌های کوانتومی ساخته شده توسط گوگل، اینتل و سایر شرکت­‌های فن­اوری تولید شده، را به پرتوهای نور که در کابل‌های فیبر نوری به حرکت در می­ آیند، تبدیل کرد؟ دانشمندان موسسه جیلا(JILA)، موسسه مشترک کلرادو بولدر و موسسه ملی استاندارد و فناوری، فکر می­ کنند که پاسخ آن را می­دانند: آنها دستگاهی طراحی کرده­‌اند که از یک صفحه کوچک برای جذب انرژی ریزموج استفاده می ­کند و از آن نور لیزر بیرون می­ دهد.

پیتر برنز، دانشجوی کارشناسی ارشد موسسه جیلا می­ گوید که این دستگاه می­ تواند از این شکاف به صورت مؤثری پرش کند (منظور فائق آمدن بر مشکل پیش رو). او و همکارانش گزارش دادند که ترامپولین کوانتومی خود می­ تواند ریزموج­‌ها را با نرخ موفقیتی به میزان ٥٠ درصد به نور تبدیل کند – آغازی کلیدی که کارشناسان می ­گویند کامپیوترهای کوانتومی به آن نیاز دارند تا به ابزاری روزمره در زندگی ما تبدیل شوند.

برنز گفت که تحقیقات تیمش می­ تواند یک روز به مهندسان کمک کند تا شبکه­‌های بزرگی از رایانه­‌های کوانتومی را به یکدیگر متصل کنند. برنز، یکی از دو نویسنده اصلی این تحقیق، گفت: «در حال حاضر هیچ راهی برای تبدیل سیگنال کوانتومی از یک سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری وجود ندارد. ما منتظر رشدی در محاسبات کوانتومی هستیم و در تلاش برای ایجاد پیوندی که برای این شبکه ها قابل استفاده باشد، می­ باشیم.»

انتقال کوانتومی

چنین شبکه­‌هایی در افق کار دانشمندان قرار دارند. در طی دهه گذشته، چندین شرکت تکنولوژیکی در حال طراحی نمونه اولیه­‌ای از تراشه­‌های کوانتومی بوده‌­اند. این ابزار، اطلاعات را در آنچه که دانشمندان بدان کیوبیت­‌ها می­ گویند، رمزگذاری می­ کنند. کیوبیت­‌ها ابزاری به منظور ذخیره­‌سازی هر چه بهتر بیت­‌های سنتی است که لپ­ تاپ خانه شما را اجرا می­ کنند. کونارد لنرت از موسسه جیلا و همکاری نویسندۀ در این تحقیق می­ گوید که گرفتن اطلاعات از این تراشه­‌ها، کاری بس مشکل است.

دخالت خارجی به راحتی می­تواند سیگنال­‌های کوانتومی را مختل کند. ­لنرت گفت: «شما باید در فرستادن اطلاعات بسیار هوشیار و محتاط باشید.» یک چالش بزرگ در انتقال وجود دارد. تراشه­‌های کوانتومی مانند Bristlecone گوگل یا Tangle Lake اینتل، اطلاعات را در شکل فوتون یا بسته­‌های کوچکی از نور که در فرکانس­‌های ریزموج قرار دارند، ارسال می ­کنند. با این وجود، بخش عمده­ای از ارتباطات مدرن، به کابل­‌های فیبر نوری که تنها می­ تواند نور اپتیکی را بفرستند، متکی هستند.

در تحقیقی که در نشریۀ Nature Physics منتشر شده، گروه جیلا به راه­کاری برای حل چالش ایجاد تناسب بین یک قطعه مربعی و یک سوراخ دایره‌­ای که از یک صفحه کوچک سیلیکون-نیترید ساخته شده، نزدیک شده است. تیم گزارش می­ دهد که ترامپولین با باریک‌ه­ای از فوتون­‌های ریزموج سبب ارتعاش آن شده و باعث می­ شود که فوتون­‌ها از دیگر انتهای آن خارج شوند. این موضوع به استثنای فوتون­‌هایی است که هم ­اکنون در فرکانس­‌های اپتیکی، در حال ارتعاش هستند.

محققان قادر به دستیابی به پرشی با بهره‌­وری ٤٧ درصد بودند، به این معنی که برای هر دو فوتون ریزموج که به صفحه اصابت می­ کند نزدیک به یک فوتون اپتیکی خارج می­ شود­. برنز گفت: این روش عملکرد بسیار بهتری نسبت به روش‌­های دیگری همچون کریستال­‌ها یا آهن‌رباها برای تبدیل ریزموج به نور را داراست. پیتر برنز اضافه کرد که آنچه در مورد این دستگاه بسیار چشمگیر است، آرامش و سکون آن است. حتی در آزمایشگاه­‌های بسیار سرد که در آنجا تراشه‌­های کوانتومی نگهداری می ­شوند، میزان ناچیزی گرما باعث می­ شود که ترامپولین تیم بلرزد.

در این مرحله، ترامپولین فوتون­های مازادی که سیگنال را آلوده می­ کنند، ارسال می­ کند. برای خلاص شدن از این در هم‌­ریختگی، محققان روشی جدید برای اندازه­‌گیری نویزها و حذف آن­ها از پرتوهای نور اختراع کرده‌­اند. آنچه که پس از این فرآیند خارج می­ شود، سیگنال­‌های تمیز (عاری از فوتون) می­ باشند. برنز گفت: «آنچه ما انجام می­ دهیم، اندازه­‌گیری میزان نویز در قسمت ریزموج دستگاه است، و این به ما اجازه می­ دهد تا در قسمت اپتیکی دستگاه میان سیگنال و نویز تفاوت ایجاد کنیم.»

دستیابی به شبکه‌­بندی

برای اینکه ترامپولین به ابزاری عملی تبدیل شود، تیم نیازمند کاهش نویز بیشتری است، اما پتانسیل فعال کردن شبکه­‌بندی زیادی را نیز دارد. حتی با پیشرفت‌های اخیر در زمینه تراشه­‌های کوانتومی، دستگاه‌­های مدرن هنوز قدرت پردازش محدودی دارند. لنرت گفت: یکی از راه‌های پیش روی این است که تراشه­‌های کوچک زیادی را به یک Cruncher (سیستمی که توانایی انجام عملیات بسیار پیچیده یا پردازش مقدار زیادی از اطلاعات را دارد) متصل کرد. لنرت گفت: «واضح است که ما در حال حرکت به سوی آینده­‌ای هستیم که در آن نمونه­‌های اولیه‌­ای از کامپیوترهای کوانتومی کوچک را در اختیار داریم. اگر بتوانیم توسط شبکه آن­ها را به هم متصل کنیم، فواید بزرگی برای ما خواهند داشت.»

ترجمه: سوران زوراسنا/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: Phys.org