ساخت اولین رایانه ی کوانتومی کامل (خبر)

کریستوفر مونرو، یکی از اعضای موسسه مشترک کوانتوم و مرکز مشترک اطلاعات کوانتومی و علوم رایانه‌ای دانشگاه مریلند و همکارانش، موفق به ساخت اولین واحد کامل رایانه‌‌های کوانتومی شدند که توانایی تنظیم مجدد دارد و انجام محاسبات عملی کوانتومی را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند.

کامپیوتر‌های کوانتومی راه حل‌های سریعی برای مسائل دشوار ارائه می‌دهند. ولی ساخت آن‌ها در مقیاس بزرگ، برای اهداف مملو از مشکلات فنی است.

تا به امروز گروه‌های تحقیقاتی زیادی رایانه‌های کوانتومی کوچک اما کاربردی ساخته‌اند. آن‌ها با ترکیب تعداد انگشت‌شماری از اتم‌ها، الکترون‌ها و یا اتصال ابررساناها، الگوریتم‌های کوانتومی ساده را اجرا می‌کنند. برنامه‌های کوچکی که به حل مسائلی خاص اختصاص داده شده‌اند.

ولی این تجهیزات آزمایشگاهی معمولا برای اجرای تنها یک برنامه شبکه‌بندی شده‌اند و یا به الگویی ثابت از تعاملات اجزای کوانتومی محدود‌ند.

ساخت رایانه‌های کوانتومی که بتوانند الگوریتم‌های دلخواه را اجرا کنند، سیستم فیزیکی و ابزارهای برنامه‌نویسی صحیح می‌طلبد. برای رفع این نیازها در میان سیستم‌عامل‌ها، امیدوارکننده ترین آن‌ها یون‌های اتمی هستند که با رشته‌هایی از الکترود در نزدیکی آن‌ها محصور شده‌اند.

در مقاله‌ای که در چهارم ماه آگوست مقاله در مجله‌ی Nature منتشر شده است، دانشمندان اولین واحد کامل از رایانه‌های کوانتومی قابل برنامه‌ریزی و پیکر‌بندی را معرفی کردند. این دستگاه لقب یک واحد را به خود گرفت چرا که این پتانسیل را دارد که با نمونه‌های کپی شده از خودش ارتباط برقرار کند. این واحد از خواص منحصر به فردی که توسط یون‌های به دام افتاده ارائه می‌شود برای اجرای هر نوع الگوریتمی در پنج بیت کوانتومی استفاده می‌کند.

Monroeمی‌گوید: « برای استفاده‌ از هر رایانه‌ای، نیازی نیست که کاربر بداند چه اتفاقی در داخل آن رخ می‌دهد. تعداد کمی از مردم اهمیت می‌دهند که در داخل آیفونشان از نظر فیزیکی چه روی می‌دهد. آزمایش ما این امکان را برای کاربران فراهم می‌کند که نرم‌افزار را مجددا پیکر‌بندی و برنامه‌ریزی کنند‌ و بیت‌های کوانتومی با کیفیت بالاتری از عملکرد به ارمغان می‌آورد. »

واحد جدید بر اساس ده‌ها سال تحقیق در زمینه‌ی به دام انداختن و کنترل یون‌ها ساخته شده است. این واحد از روش‌های استاندارد استفاده می‌کند و علاوه بر آن، روش‌های جدیدی برای کنترل و اندازه‌گیری معرفی می‌کند. این واحد با استفاده از آرایه‌ای از پرتوهای شدید و متمرکز لیزر، امکان دستکاری یون‌های زیادی را به صورت همزمان به ما می‌دهد.

Jean Cottam Allen مدیر برنامه‌ی بخش بنیاد ملی علوم فیزیک می‌گوید: « این کار سرآغاز محاسبات کوانتومی است که محاسبات عملی کوانتومی را به واقعیت نزدیک تر می‌کند. »

تیم تحقیقاتی واحد خود را بر روی سه مسئله‌ی کوچک که رایانه‌های کوانتومی در حل آن‌ها معروف‌اند آزمایش کرد.

Shantanu Debnath دانشجوی سابق JQI و نویسنده‌ی اصلی مقاله می‌گوید: « با اتصال مستقیم هر جفت از کیوبیت‌ها، می‌‌توان سیستم را برای اجرای هر نوع الگوریتمی پیکربندی کرد. »

Debnath می‌افزاید: « در حالی که تنها 5 کیوبیت در اختیار داشتیم، اما می‌دانیم چگونه این روش‌ را به مجموعه‌هایی بسیار بزرگ‌تر تعمیم دهیم. »

هر الگوریتم کوانتومی از سه بخش تشکیل می‌شود: اول، کیوبیت‌هایی که در حالت خاصی آماده شده‌اند. دوم، طی کردن یک رشته از گیت‌های منطقی کوانتومی و در پایان، یک خروجی که از الگوریتم استخراج می‌شود.

این واحد وظایف را با استفاده از رنگ‌های مختلف نور لیزر انجام می‌دهد. هر رنگ با استفاده از تکنیکی به نام پمپاژ نوری، که در آن هر کیوبیت تا زمانی که به انرژی کوانتومی مناسب برسد روشن است، یون‌ها را آماده می‌کند. درپایان این فرآیند دستگاه لیزر به خواندن حالت کوانتومی هر یون اتمی کمک می‌کند. در این میان یک لیزر جداگانه جهت فعال کردن گیت‌های منطقی کوانتومی به یون‌ها برخورد می‌کند.

قابلیت شکل پذیری مجدد پرتو های لیزر یک مزیت کلیدی است.

Debnath می‌گوید: « با محدود شدن یک الگوریتم به یک سری از پالس‌های لیزری که بر روی یون‌های مناسب متمرکز می شوند، ما می‌توانیم سیم‌کشی بین کیوبیت‌ها را مجددا از خارج پیکربندی کنیم. » وی می‌افزاید: « این می‌تواند یک مشکل نرم‌افزاری باشد و هیچ معمار محاسبات کوانتومی چنین قابلیتی ندارد. »

برای آزمایش نمونه، تیم، سه الگوریتم مختلف کوانتومی را اجرا کردند؛ از جمله نمایش تبدیل فوریه کوانتومی (QFT) که تکرارپذیری توابع ریاضی را نشان می‌دهد، که یک بخش کلیدی در الگوریتم فاکتورگیری شور می‌باشد.

دو الگوریتم‌ با موفقیت بیش از 90 درصد اجرا شدند. در حالی که QFT موفقیتی در حد 70 درصد داشت. تیم می‌گوید: « به دلیل خطاهای موجود در پالس‌های تشکیل شده در گیت‌ها و همچنین خطاهای سیستماتیک که در طول محاسبه بر روی هم انباشته می شوند، اساسا این درصد شکست رفع نمی‌شود. برنامه‌ی QFT تمام گیت‌های دو کیوبیتی ممکن را می‌طلبد و از پیچیده‌ترین الگوریتم‌ها به شمار می‌رود. »

این تیم باور دارد در نهایت کیوبیت‌های بیشتری ( شاید بالغ بر 100 کیوبیت) می‌تواند به واحد رایانه‌ی کوانتومی آن‌ها اضافه شود. در واقع این امکان وجود دارد که بین واحد‌های جدا از هم، چه با جابه‌جایی فیزیکی یون‌ها و چه با استفاده از فوتون جهت انتقال و جابه‌جایی اطلاعات بین آن‌ها، ارتباط برقرار شود.

اگر چه این واحد در حال حاضر تنها 5 کیوبیت دارد ولی امکان برنامه‌نویسی الگوریتم‌های کوانتومی که تا به حال اجرا نشده‌اند را می‌دهد.

Debnath می‌گوید: « تیم به دنبال اجرای برنامه‌هایی با کیوبیت‌های بیشتر بر روی یک واحد است. »

چرا سریعترین کامپیوتر کوانتومی جهان واقعا یک کامپیوتر کوانتومی نیست؟!

منبع: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=53780