بیگ بنگ: در آینده‌ای نه چندان دور، رایانه‌های کوانتومی می توانند محاسباتی را انجام دهند که رایانه‌های امروزی از انجام آنها عاجزند. برای مثال رایانه‌های کوانتومی در آینده قادر خواهند بود تا معاملات الکترونیکی امروزی را رمزگشایی کنند و همچنین می توانند تا بعنوان وسیله‌ای کارآمد، راه‌حل‌های احتمالی برای حل انواع مشکلات را افزایش دهند.

به گزارش بیگ بنگ، در حال حاضر تحقیقات بسیاری در آزمایشگاه کوانتومی موسسۀ علمی پروفسور “باراک دایان” در مورد دروازه‌های کوانتومی انجام می شود که ما را یک گام به برقراری ارتباط بین کامپیوترهای کوانتومی نزدیک‌تر می کند. به بیت‌های کامپیوتر کوانتومی در اصطلاح “کوبیت” می گویند. بیت‌های الکترونیکی در کامپیوترهای امروزی در یک زمان مشخّص می توانند یا یک باشند و یا صفر، در حالیکه رایانه‌های کوانتومی می توانند در یک لحظه، همزمان هم صفر باشند و هم یک که به این حالت “برهم نهی کوانتومی” گفته می شود. این حالت فیزیکی، به کوبیت‌ها این قدرت را میدهد تا  چندین محاسبه را به صورت موازی و هم زمان انجام دهند.

فقط یک مشکل در این میان وجود دارد، در واقع حالت برهم نهی کوانتومی زمانی رخ میدهد که توسّط جهان بیرونی و توسّط ما قابل مشاهده و اندازه‌گیری نیست؛ در غیر اینصورت اگر قابل مشاهده باشد، فقط یکی از احتمالات رخ خواهد داد و نتیجۀ ما دیگر همزمان یک و صفر نخواهد شد. این امر منجربه تناقض در الزامات قوانین فیزیکی می شود؛ به خاطر اینکه اگر بخواهیم کوبیت‌ها همزمان در چند حالت متفاوت باشند، باید آنها را از هم جدا کنیم و اگر هم بخواهیم آنها را از هم جدا کنیم، باید با کوبیت‌های دیگر در ارتباط باشند که در این صورت، نمیتوانند چند حالت متفاوت باشند. به همین دلیل است که اگر چه شرکت‌ها و آزمایشگاه‌های بسیاری در سراسر جهان توانسته‌اند کامپیوترهای کوانتومی را با چند دهم کوبیت به نمایش بگذارند، ولی بزرگتر کردن مقیاس این رایانه‌ها با چند میلیون کوبیت، سخت‌ترین چالش و مانع علمی و تکنولوژی برای این شرکت‌ها است.

یکی از راه‌حل‌های امیدوارکننده برای این چالش، استفاده از واحدهایی کم و کنترل شده از کوبیت‌ها، در هنگام برقراری ارتباط نوری بین آنها است. به عبارت دیگر، اطّلاعات ذخیره شده در یک کوبیت(برای مثال یک اتم یا یک یون) را میتوان به یک کوبیت پرنده، که در واقع یک ذرّه از نور به نام “فوتون” است،  انتقال داد. این نوع فوتون، میتواند از طریق فیبرهای نوری، به کوبیت‌هایی که در مسافت‌های دورتر قرار دارند اطلاعات مختلفی ارسال کند، بدون اینکه محیط زیست ما بتواند ماهیت این ذرّات را درک کند. مشکل اصلی در ایجاد چنین سیستمی، این است که تک فوتون‌ها انرژی‌های بسیار کمی با خود حمل می کنند و سیستم‌های کوچکی که حاوی این این کوبیت‌های مادی هستند، با چنین نور ضعیف و فوتون‌های کم انرژی تعامل ندارند.

همانطور که گفته شد، در سراسر جهان گروه‌های علمی بسیاری در حال دست و چنجه نرم کردن با این چالش هستند که آزمایشگاه کوانتومی “دایان” از مؤسّسه علمی “ویزمن” یکی از آنهاست. به طور کلّی، تجهیزات آزمایشی آنان دارای تک اتم‌هایی است که توسط تشدیدکنندۀ سیلیکان بر روی تراشه‌های مخصوص قرار گرفته‌اند و فوتون‌ها به طور مستقیم از طریق فیبرهای نوری مخصوص به سمت این تراشه‌ها فرستاده می شوند. در آزمایش‌های قبلی پروفسور دایان و گروهش، نشان دادند که سیستم آنها قدرت بالایی در فعال کردن تک فوتون‌ها و عوض کردن مسیر آنان دارد و همچنین این سیستم قدرتمند آزمایشگاهی می تواند تک فوتون‌ها را از یک باریکه یا گسترۀ نور جدا کند و مسیر آن را به طور کلّی تغییر دهد. مطالعات اخیر دایان و تیمش، به تازگی در نشریۀ “Nature Physics” منتشر شده که نشان می دهند برای اوّلین بار موفّق به کشف دروازه‌ای قابل درک و منطقی برای درک اطّلاعات مبادله شده توسّط فوتون و اتم شده‌اند.

پروفسور دایان می گوید:«فوتون می تواند یک کوبیت را حمل کند و اتم، به اندازۀ یک دوّمِ کوبیت است. زمانی که یک اتم و یک فوتون همدیگر را ملاقات می کنند، مبادلۀ کوبیت بین آنها به طور خودکار و همزمان آغاز می شود وپس از به پایان رسیدن مبادلۀ کوبیت، فوتون با اطلاعات جدیدی که به دست آورده به راه خود ادامه می دهد. در مکانیک کوانتوم که نمیتوان اطلاعات حذف و یا حتّی کپی کرد، این نوع مبادلات اطلاعات به نوعی پایه و اساس خواندن و نوشتن به صورت الکترونیکی هستند که در اصطلاح به آنها دروازه کوانتومی(دروازه بومی ارتباطات کوانتومی) گفته می شود.»

از این نوع دروازۀ منطقی و قابل درک، که دروازۀ مبادله نامیده می شود، میتوان برای مبادلۀ کوبیت‌ها در داخل یک کامپیوتر کوانتومی و یا بین چندین رایانه کوانتومی  استفاده کرد. این روش علاوه نه تنها به کنترل کنندۀ خارجی یا سیستم مدیریتی نیاز ندارد، بلکه ما را قادر می سازد تا معادلات و شبکه‌هایی در مقیاس بسیار بزرگ  بسازیم. دایان می گوید:«دوازۀ مبادله‌ای که ما آن را کشف کرده و نشان دادیم، فقط برای بر قراری ارتباط بین کوبیت‌های فوتون‌ها و اتم نیست؛ بلکه برای همه نوع کوبیت‌هایی که مبتنی بر ماده هستند، می تواند مورداستفاده قرار گیرد. بنابراین، ما معتقدیم که این دروازۀ کوانتومی، پایه و اساس نسل‌های بعدی سیستم‌های محاسباتی کوانتومی خواهد بود.»

ترجمه: نوید عباپور/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: phys.org