آیا تصور کردهاید کامپیوترها بتوانند وظایف را به شیوهای کاملاً نوین انجام دهند و مسائلی را حل کنند که در حال حاضر حتی برای سریعترین ابرکامپیوترها نیز غیرممکن است؟ پژوهشگران با یک پیشرفت بزرگ در محاسبات کوانتومی، گامی بلند در این مسیر برداشته و ما را به این واقعیت نزدیکتر کردهاند.
در مطالعهای که اخیراً در مجله معتبر Nature منتشر شده، دانشمندان موفق به نمایش عملکرد موازی دو بیت کوانتومی یا «کیوبیت» به صورت همزمان شدهاند. اگرچه «دو» ممکن است عدد بزرگی به نظر نرسد، اما در دنیای فوقالعاده ظریف و پیچیده کوانتوم، این یک دستاورد عظیم در زمینه مقیاسپذیری محسوب میشود.
این آزمایش با استفاده از ساختارهای نیمهرسانای کوچکی به نام «نقاط کوانتومی» انجام شد. این نقاط را میتوان به عنوان اتمهای مصنوعی در نظر گرفت که الکترونهای منفرد را با دقتی بالا کنترل میکنند. تیم تحقیقاتی شش عدد از این نقاط کوانتومی را در یک خط چیدمان کردند تا دو کیوبیت ویژه از نوع «فقط-تبادلی» (exchange-only) بسازند. این کیوبیتها به طرز هوشمندانهای اطلاعات کوانتومی را بر اساس تعامل (یا تبادل) بین الکترونها ذخیره و پردازش میکنند.
یکی از چالشهای اصلی در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کارآمد، شکنندگی کیوبیتهاست. آنها زمان «همدوسی» بسیار کوتاهی دارند، به این معنی که اطلاعات کوانتومی خود را به سرعت از دست میدهند. برای انجام محاسبات معنادار، باید عملیاتهای بسیار دقیق و باکیفیتی را به صورت همزمان در این بازه زمانی کوتاه اجرا کرد. پیشرفت اخیر دقیقاً در همین نقطه است. پژوهشگران نشان دادند که میتوانند پالسهای کنترلی را برای فعالسازی همزمان هر دو کیوبیت ارسال کنند، بدون آنکه کیفیت یا دقت عملیاتها در مقایسه با اجرای متوالی آنها کاهش یابد. این کنترل موازی برای ساخت پردازندههای کوانتومی قدرتمندتر ضروری است.
علاوه بر این، این تیم به چندین موفقیت برای اولین بار دست یافت. آنها برای نخستین بار یک «گیت iSWAP» را برای این نوع کیوبیتهای فقط-تبادلی به صورت تجربی پیادهسازی کردند که یک عملیات اساسی دو-کیوبیتی و حیاتی برای الگوریتمهای کوانتومی است. آنها همچنین یک روش بازخوانی جدید به نام «سد اسپین پائولی با قفلسازی بار» را برای تعیین کارآمد حالت نهایی کیوبیتها معرفی کردند.
برای اعتبارسنجی دقیق نتایج، پژوهشگران از تکنیکی به نام «بنچمارکینگ آنتروپی متقاطع» (XEB) استفاده کردند که اولین باری است که این ابزار قدرتمند مشخصهیابی برای یک سیستم کوانتومی مبتنی بر نیمهرسانا به کار گرفته میشود. این موضوع نه تنها عملکرد بالای دستگاه آنها را تأیید میکند، بلکه توسعه کیوبیتهای نیمهرسانا را با استانداردهای مورد استفاده در سایر پلتفرمهای پیشرو کوانتومی هماهنگ میسازد.
این پژوهش یک نقطه عطف حیاتی است که ثابت میکند میتوان از تکنیکهای ساخت بسیار پیشرفته صنعت نیمهرسانا برای ساخت آرایههایی از کیوبیتهای باکیفیت بهره برد. این دستاورد راه را برای مقیاسپذیری به سمت مدارهای کوانتومی بزرگتر و پیچیدهتر هموار میکند و ما را یک قدم به رویای محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ نزدیکتر میسازد.
اطلاعات بیشتر در منبع: مقاله نیچر