فیزیک‌دانان موفق شدند شبیه‌ساز کوانتومی ۲۵۶ کیوبیتی بسازند

گروهی از فیزیک‌دانان مرکز اتم‌های فوق سرد دانشگاه هاروارد و MIT نوع خاصی از کامپیوتر کوانتومی را ساخته‌اند که به‌عنوان شبیه‌ساز کوانتومی برنامه‌ریزی‌شدنی شناخته می‌شود در آن ۲۵۶ بیت کوانتوم یا کیوبیت جای گرفته است. این سیستم گامی مهم به‌منظور ساخت کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ است که می‌تواند در حل فرایندهای پیچیده کوانتومی، دستیابی به موفقیت‌های واقعی در علم مواد، فناوری‌های ارتباطی، امورمالی و بسیاری از زمینه‌های دیگر مؤثر باشد که فراتر از توانایی سریع‌ترین اَبَرکامپیوتر‌های امروزی هستند.

کیوبیت‌ها عناصر اصلی و زیربنایی هستند که کامپیوتر‌های کوانتومی قدرت پردازشی‌شان را از آن‌ها می‌گیرند. درواقع، کیوبیت همتای کوانتومی بیت‌ها در کامپیوترهای سُنتی محسوب می‌شود. یکی از تفاوت‌های بزرگ کامپیوترهای سُنتی و کوانتومی به مفهوم برهم‌نهی مربوط می‌شود. کامپیوتر کلاسیک می‌تواند مبتنی‌بر حالت A یا B (در اصطلاح باینری یک یا صفر) باشد؛ درحالی‌که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند از ترکیب این دو هم استفاده کند.

درواقع، این موضوع به‌نوعی نظریه گربه شرودینگر را یادآوری می‌کند. براساس این نظریه‌، گربه درون جعبه تا وقتی می‌تواند هم‌زمان زنده یا مرده یا هر دو (زنده و مرده) باشد که درِ آن را باز نکنیم. سپس مفاهیم دیگری مانند فروپاشی و بی‌اعتمادی و درهم‌تنیدگی وجود دارد که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار متفاوت از کامپیوترهای کنونی می‌کند که با آن‌ها بزرگ شده‌ایم.

درحال‌حاضر، هیچ بستر سخت‌افزاری موجودی نمی‌تواند انسجام را حفظ کند و معمولا برای محاسبات در مقیاس بزرگ به فرایند تصحیح خطای بسبار قوی لازم خواهد بود؛ بنابراین، افزایش مقیاس‌پذیری یکی از مباحث سختی محسوب می‌شود که محققان و دانشمندان می‌کوشند راه‌های جدیدی برایش کشف کنند.

اکنون با تشکیل ائتلافی متشکل از فیزیک‌دانان دانشگاه MIT و هاروارد و سایر دانشگاه‌ها، شبیه‌سازی کوانتومی ساخته شده که پذیرای ۲۵۶ کیوبیت است و قدمی مثبت در پیشرفت روزافزون این حوزه محسوب می‌شود؛ به‌طوری‌که میخائیل لوکین، یکی از صاحب‌نظران این حوزه، معتقد است دستاورد مذکور رایانش کوانتومی را به حوزه جدید منتقل می‌کند که تاکنون کسی در آن حضور نداشته است. دراین‌میان، جورج واسمر لوریت، استاد فیزیک و یکی از مشارکت‌کنندگان این پروژه می‌گوید: «در حال ورود به بخش کاملا جدیدی از جهان کوانتوم هستیم.»

به‌گفته سپهر عبادی، دانشجوی فیزیک دانشکده تحصیلات تکمیلی هنر و علوم، این ترکیبی از اندازه و برنامه‌ریزی بی‌سابقه سیستمی است که آن را در مسیر برنده مسابقه‌ ساخت کامپیوتر کوانتومی قرار می‌دهد و تا حد زیادی قدرت پردازشی موردنیاز برای کشف خواص مرموز ماده در مقیاس‌های بسیار کوچک را تأمین می‌کند. در شرایط مناسب، افزایش کیوبیت به‌معنای آن است که سیستم می‌تواند اطلاعات بیشتری از بیت‌های کلاسیکی ذخیره و پردازش کند که کامپیوتر‌های استاندارد با آن‌ها کار می‌کنند. جالب است بدانید تعداد حالات کوانتومی که فقط با ۲۵۶ کیوبیت امکان‌پذیر است، بیش از تعداد اتم‌های منظومه شمسی خواهد بود.

درحال‌حاضر، این شبیه‌ساز به محققان امکان داده است چندین حالت کوانتومی عجیب و مرموز ماده را مشاهده کنند که قبلا به‌طور آزمایشی درک نشده بودند. همچنین، مطالعه انتقال فاز کوانتومی را به‌گونه‌ای دقیق انجام دهند که از آن بتوان به‌عنوان نمونه کتاب درسی برای نحوه کار مغناطیس در سطح کوانتوم استفاده کرد. درحقیقت، این آزمایش‌ها بینش قدرتمندی درباره خصوصیات اصلی مواد فیزیک کوانتوم ارائه می‌دهد و به دانشمندان می‌تواند نشان دهد که چگونه مواد جدیدی را با خواص عجیب می‌تواند طراحی و ایجاد کنند.

این پروژه از نسخه به‌شدت به‌روزشده پلتفرمی استفاده می‌کند که محققان در سال ۲۰۱۷ آن را ایجاد کرده‌اند و ظاهرا می‌تواند ۵۱ کیوبیت را به‌کار گیرد. این سیستم قدیمی به محققان امکان می‌داد اتم‌های روبیدیوم بسیار سرد را بگیرند و آن‌ها را به‌ترتیب خاصی با استفاده از آرایه‌ای یک‌بعدی از پرتوهای لیزر متمرکز به نام انبرک نوری مرتب کنند. این در حالی است که سیستم جدید اجازه می‌دهد اتم‌ها در آرایه‌های دوبعدی انبرک نوری جمع شوند. این اندازه سیستم دست‌یافتنی را از ۵۱ به ۲۵۶ کیوبیت افزایش می‌دهد. با استفاده از انبرک نوری، محققان می‌توانند اتم‌ها را به‌صورت الگوهای بدون نقص مرتب و اشکال برنامه‌ریزی‌شدنی مانند شبکه‌های مربعی‌ یا لانه زنبوری یا مثلثی را ایجاد و فعل‌و‌انفعالات مختلف بین کیوبیت‌ها را مهندسی کنند.

گفتنی است انبرک نوری نوعی ابزار علمی است که در آن، از پرتو لیزر با قابلیت فوکوس زیاد برای ایجاد نیروی جاذبه یا دافعه استفاده می‌شود. درحقیقت، ابزار یادشده با استفاده از پرتو لیزر بسیار متمرکز نیرویی در حد پیکونیوتن را به اجسام الکتریک در ابعاد میکرون اعمال می‌کند.

رکن اصلی پلتفرم جدید دستگاهی به نام تعدیل‌کننده نور فراگیر است که برای شکل‌دادن به جبهه موج نوری به‌منظور تولید صدها پرتو انبرک نوری متمرکز جداگانه استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها اساسا همان دستگاه‌هایی هستند که در داخل پروژکتور کامپیوتری برای نمایش تصاویر روی صفحه استفاده می‌شود. بااین‌حال، محققان آن‌ها را به‌عنوان جزئی حیاتی در شبیه‌ساز کوانتومی سازگار کرده‌اند.

بارگیری اولیه اتم‌ها در انبرک نوری تصادفی است و محققان باید اتم‌ها را به اطراف منتقل کنند تا آن‌ها را در هندسه‌های هدف قرار دهند. محققان با استفاده از مجموعه دوم انبرک‌های نوری متحرک اتم‌ها را به مکان‌های مدنظرشان می‌کشانند و تصادفی اولیه را از بین می‌برند. درنهایت، لیزرها به محققان کنترل کاملی بر موقعیت کیوبیت‌های اتمی و دست‌کاری منسجم کوانتومی آن‌ها می‌دهند.

تانگ وانگ، یکی از متصدیان این پروژه، می‌گوید کار آن‌ها در ساخت شبیه‌ساز کوانتومی ۲۵۶ کیوبیتی بخشی از مسابقه جهانی دشواری به‌منظور ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی مقیاس‌پذیرتر و بهتر است. از قرار معلوم، مؤسسه‌های تحقیقاتی دانشگاهی نام‌آشنایی در این پروژه همکاری کرده‌اند و سرمایه‌گذاری عمده بخش خصوصی از گوگل، ای‌بی‌ام، آمازون و بسیاری دیگر تأمین شده است.

به‌طورکلی، در سالیان اخیر کامپیوترهای کوانتومی به‌شدت پیشرفت کرده‌اند؛ اما با وجود اثبات مفاهیم و دلایل هیجان‌انگیز رایانش کوانتومی، باید به این نکته توجه کرد که این حوزه هنوز در ابتدای راهش قرار دارد و همچنان ظرفیت بسیاری از آن نهفته باقی مانده است. سپهر عبادی معتقد است به هیچ نقطه از محدوده کاری که می‌توان با این سیستم‌ها انجام داد، حتی نزدیک هم نشده‌ایم.

درحال‌حاضر، محققان تلاش می‌کنند با بهبود کنترل لیزر روی کیوبیت‌ها سیستم را بهبود بخشند و آن را برنامه‌ریزی‌‌شدنی‌تر از گذشته کنند. افزون‌براین، آن‌ها در حال بررسی چگونگی استفاده از سیستم برای کاربردهای جدید هستند؛ از تحقیق درباره اشکال عجیب‌و‌غریب ماده کوانتومی تا حل مشکلات دنیای واقعی که می‌توانند به‌طور طبیعی روی کیوبیت‌ها رمزگذاری شوند. درحقیقت، دستاورد جدید سرفصلی در رسیدن به انقلاب بعدی محاسبات باشد.