محققان راهی برای محافظت از سیستم‌های کوانتومی بسیار شکننده در برابر نویز پیدا کرده‌اند که می‌تواند به طراحی و توسعه دستگاه‌های کوانتومی جدید مانند رایانه های کوانتومی فوق‌العاده قدرتمند کمک کند. آن‌ها دریافتند که تقارن پنهان می‌تواند کلیدی در سیستم‌های کوانتومی قوی باشد.
محققان دانشگاه کمبریج نشان داده‌اند که ذرات میکروسکوپی می‌توانند در فواصل طولانی با هم پیوندی ذهنی یا پیچیده داشته باشند حتی اگر اختلالات تصادفی بین آن‌ها وجود داشته باشد. آن‌ها با استفاده از ریاضیات تئوری کوانتوم، یک سیستم ساده را کشف کردند که در آن می‌توان ذرات درهم را حتی با وجود نویز با استفاده از تقارن ناشناخته قبلی در سیستم‌های کوانتوم تهیه و تثبیت کرد.
رایانه های کوانتومی به‌جای بیت های معمولی با کیوبیت های در هم تنیده ساخته شده‌اند
نتایج آن‌ها که در مجله فیزیکال ریویو لترز گزارش شده است، دریچه‌ای جدید به دنیای مرموز کوانتومی باز می‌کند که می‌تواند با حفظ اثرات کوانتومی در محیط‌های پرنویز، که بزرگ‌ترین مانع توسعه چنین فناوری است، انقلابی در فناوری آینده ایجاد کند. این قابلیت جدید در قلب کامپیوتر های کوانتومی فوق‌سریع مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
سیستم‌های کوانتومی بر اساس رفتار عجیب ذرات در سطح اتمی ساخته شده‌اند و می‌توانند انقلابی را در نحوه انجام محاسبات پیچیده ایجاد کنند. در حالی که یک بیت معمولی کامپیوتر یک سوئیچ الکتریکی است که می‌تواند روی یک یا صفر تنظیم شود، یک بیت کوانتوم یا «کیوبیت» را می‌توان هم‌زمان روی یک، صفر یا هر دو تنظیم کرد. به‌علاوه، هنگامی که دو کیوبیت در هم گره می‌خورند، یک عمل روی یکی از آن‌ها بلافاصله تأثیر می‌گذارد، حتی اگر از هم فاصله زیادی داشته باشند. این حالت دوگانه همان چیزی است که به کامپیوتر کوانتومی قدرت می‌بخشد. رایانه ای که به‌جای بیت های معمولی با کیوبیت های در هم تنیده ساخته شده است، می‌تواند فراتر از ظرفیت حتی قدرتمندترین ابر کامپیوتر ها، محاسبات را انجام دهد.
دکتر شووان دوتا از آزمایشگاه کاوندیش کمبریج که اولین نویسنده مقاله نیز است، گفت:
با این حال، کیوبیت ها چیزهای بسیار ریز و جزئی هستند و کوچک‌ترین نویزی در محیط آن‌ها می‌تواند باعث از هم گسیختگی به هم ریخته شدن آن‌ها شود. تا زمانی که ما بتوانیم راهی برای مقاوم‌سازی سیستم‌های کوانتومی پیدا کنیم، کاربردهای آن‌ها در دنیای واقعی محدود خواهد بود.
چندین شرکت رایانه های کوانتومی فعال با کیوبیت محدود تولید کرده‌اند
چندین شرکت – به‌ویژه IBM و گوگل – رایانه های کوانتومی فعال تولید کرده‌اند، اگرچه تاکنون این تعداد رایانه به کمتر از ۱۰۰ کیوبیت محدود شده‌اند. آن‌ها به جدا شدن تقریباً کامل از نویز احتیاج دارند و حتی در آن صورت، طول عمر آن‌ها بسیار کوتاه و چند میکروثانیه است. هر دو شرکت قصد دارند تا طی چند سال آینده ۱۰۰۰ کامپیوتر کوانتومی را تولید کنند، اگرچه تا بر مشکلات پایداری غلبه نکنند، رایانه های کوانتومی به کاربرد عملی نخواهند رسید.
اکنون، دوتا و پروفسور نیگل کوپر که نویسنده مشترک وی است، یک سیستم کوانتومی قوی را کشف کرده‌اند که در آن چندین جفت کیوبیت حتی با نویز زیادی در هم تنیده باقی مانده‌اند.
آن‌ها یک سیستم اتمی را در یک شبکه تشکیل‌شده ساخته‌اند، جایی که اتم ها به‌شدت با یکدیگر در تعامل هستند و از یک مکان شبکه به مکان دیگر می‌پرند. نویسندگان دریافتند که اگر نویز در وسط شبکه اضافه شود، بر ذرات درگیر بین دو طرف چپ و راست تأثیر نمی‌گذارد. این ویژگی شگفت‌انگیز از نوع خاصی از تقارن حاصل می‌شود که تعداد این جفت‌های درهم را حفظ می‌کند.
تقارن پنهان از جفت‌های درهم محافظت می‌کند و راه را برای پیچیدگی قابل کنترل در یک محیط پرنویز هموار خواهد کرد
دوتا در این باره گفت:
ما به هیچ وجه انتظار این نوع گرفتار شدن تثبیت‌شده را نداشتیم. ما با یک تقارن پنهان برخورد کردیم که در این سیستم‌های پرنویز بسیار نادر است.
آن‌ها نشان دادند که این تقارن پنهان از جفت‌های درهم محافظت می‌کند و اجازه می‌دهد تعداد آن‌ها از صفر تا حداکثر مقدار بزرگ کنترل شود. نتیجه‌گیری‌های مشابه را می‌توان برای دسته گسترده‌ای از سیستم‌های فیزیکی اعمال کرد و می‌توان با مواد موجود در سیستم‌عامل‌های آزمایشی تحقق بخشید که راه را برای پیچیدگی قابل کنترل در یک محیط پرنویز هموار خواهد کرد.
دوتا گفت:
اغتشاشات کنترل نشده محیطی برای بقای اثرات کوانتومی مانند یک درگیری مضر است اما با مهندسی عمدی انواع خاصی از آشفتگی‌ها و دیدن واکنش ذرات می‌توان چیزهای زیادی را یاد گرفت. ما نشان داده‌ایم که یک نوع اختلال ساده می‌تواند در واقع بسیاری از جفت‌های درهم‌تنیده را تولید و حفظ کند که شروع خوبی برای پیشرفت‌های آزمایشی در این زمینه است.
محققان امیدوارند تا یک سال آینده یافته‌های نظری خود را با آزمایش تأیید کنند.
نظرات