ساخت کامپیوترهای کوانتومی با الهام از قوانین گرانش

اگر نحوه‌ی کار با سیستم‌ها‌ی رایانش کوانتومی را فرا بگیریم و بتوانیم آن‌ها را مهار کنیم، رایانش کوانتومی در آینده، قدرت و مقیاس سیستم‌ها‌ی محاسباتی ما را متحول خواهد‌ کرد. دانشمندان به‌تازگی با پی بردن به اینکه چگونه می‌توان به‌خوبی از رایانش کوانتومی استفاده‌ کرد،‌ دریافته‌اند که گرانش کلید رسیدن به این هدف است. 

به‌صورت خاص، قوانین هندسی‌ای که به ما اجازه می‌دهند با توجه به گرانش در نسبیت عام کم‌ترین فاصله‌ی میان دو نقطه را در یک فضا‌ی خمیده پیدا‌ کنیم، می‌توانند بهترین و پر‌بازده‌ترین راه را برای پردازش اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی پیدا‌کنند. 

نکاتی که در مورد کوتاه‌ترین مسیر برای سفر بین دو نقطه چه روی سطح یک سیاره‌ی کروی و چه در یک کامپیوتر کوانتومی وجود‌ دارند، به‌نام ژئودزیک شناخته می‌شوند. پژوهشگرانی که در این پژوهش جدید نقش‌ داشتند گفته‌اند که با استفاده از یکی از شاخه‌ها‌ی ویژه‌ی محاسبات کوانتومی به‌نام نظریه‌ی میدان همدیس، می‌توانند سریع‌ترین محاسبات ممکن را انجام‌دهند. 

پاول کاپیوتا، فیزیکدان دانشگاه کایوتو ژاپن به وب‌سایت Phys.org می‌گوید:

 در مرحله‌ای که ما در آن هستیم، یافتن طول کمینه در هندسه‌ی پیچیدگی با حل مسئله‌ی گرانش برابر است. این همان کاری است که با تنظیم قوانین گرانشی در نظریه‌ها‌ی میدان همدیس در فضا‌ی دو‌بعدی برای دستیابی به محاسبات مطلوب، قصد انجام آن را داشتیم. 

تطبیق‌دادن امکانات رایانش کوانتومی با یک رویداد فیزیکی و کاربردی، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها‌یی است که دانشمندان با آن مواجه هستند. اگر بخواهیم کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی را به بیرون از آزمایشگاه گسترش‌ دهیم، موارد کاهش نرخ خطا و کم‌کردن دخالت عوامل بیرونی در کارکرد این کامپیوتر‌ها، دو عامل کلیدی و مهم هستند. 

پژوهش تازه‌ی دانشمندان برپایه‌ی پژوهشی انجام شده است که ارتباط بین رایانش کوانتومی و هندسه را بررسی کرده‌ بود؛ با‌این‌حال پژوهش اخیر با تکیه بر ارائه‌ی یک توصیف فراگیر از پیچیدگی پا را فراتر نهاده؛ بدین معنی که تلاش کرده است تا ارتباط پیش‌تر شناخته‌نشده‌ی میان پیچیدگی و گرانش را نشان دهد.

درحال حاضر، این شرایط تنها بر تعداد خاصی از حالت‌ها‌ی کوانتومی اعمال می‌شود؛ اما درنهایت یافته‌ها می‌توانند به‌صورت گسترده‌تری به‌کاربرده شوند. کاپیوتا به Phys.org گفت:

ما نشان‌ دادیم که در نظریه‌ها‌ی میدان همدیس دو‌بعدی با دروازه‌ها‌ی کوانتومی داده‌شده توسط تانسور‌ها‌ی تکانه - انرژی، طول اینگونه ژئودزیک‌ها با اعمال گرانش دو‌بعدی محاسبه می‌شود. 

محاسبات کوانتومی بر مبنا‌ی مفهوم کیوبیت (یک واحد اطلاعات که می‌تواند در یک زمان چندین حالت را نشان‌دهد)  پایه‌ریزی‌شده است. شبیه صفر و یک‌ها‌یی که بیت‌ها‌ی مورد استفاده درکامپیوتر‌ها‌ی کلاسیک با آن‌ها برنامه‌ریزی شده‌اند. اما کنترل این کیوبیت‌ها بسیار دشوار است و نیاز به دقت فراوان دارد.

در سال‌ها‌ی اخیر شاهد آن بودیم که فیزیکدان‌ها به‌تدریج فضا‌ی مورد نیاز برای ذخیره‌ی کیوبیت‌ها را کم و کم‌تر کردند. آن‌ها همچنین دقت کیوبیت‌ها را نیز بالا برده‌اند. درنتیجه، اکنون باید بتوانیم به نتایجی که از کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی به‌دست می‌آید اطمینان کنیم. به‌تازگی شاهد هستیم که کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی قدیمی‌تر کیوبیت‌های بیشتری را نگه می‌دارند و همین کیوبیت‌ها را برای مدت بیشتری در حالت‌ها‌ی کوانتومی حفظ می‌کنند. 

هر‌بار که قسمت کوچکی از کل مشکل حل می‌شود ما یک قدم به فهم وعده‌ای که در مورد رایانش کوانتومی داده‌شده‌است نزدیک‌تر می‌شویم و قوانین هندسی توصیف‌کننده‌ی گرانش به ما کمک می‌کنند تا بتوانیم از این ظرفیت به‌نحو بیشتری استفاده‌کنیم. کاپیوتا به Phys.org گفت:

ما نشان‌ دادیم که خانواده‌هایی از سامانه‌های کوانتومی وجود دارد که در آن‌ها، پیچیدگی وظایف فراگیر معین با استفاده از گرانش کلاسیک به‌خوبی بر‌آورد شده است.

 این پژوهش در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر‌شده‌است.