رویکرد 'ماژولار' می‌تواند به پژوهشگران کمک کند میلیون‌ها کیوبیت را متصل و کنترل کنند
ایجاد کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند نیازمند پردازنده‌های کوانتومی با میلیون‌ها کیوبیت است. با این حال، در حال حاضر پیشرفته‌ترین پردازنده کوانتومی تنها از ۱۰۰۰ کیوبیت تشکیل شده است.
این یعنی ما در دستیابی به پتانسیل واقعی کامپیوترهای کوانتومی بسیار عقب هستیم و چالش در کنترل و اتصال کیوبیت‌هاست.
هر کیوبیت در یک کامپیوتر کوانتومی در یک فرکانس خاص عمل می‌کند. برای بهره‌گیری از تمام قدرت یک سیستم کوانتومی، هر کیوبیت باید به صورت فردی با تنظیم فرکانس آن کنترل شود. علاوه بر این، برای اتصال کیوبیت‌ها، تطابق فرکانس‌های آن‌ها مهم است.
“همزمان با گسترش پردازنده کوانتومی به تعداد بیشتر کیوبیت‌ها، توانایی انجام همزمان هر دو عملیات برای هر کیوبیت بسیار چالش‌برانگیز می‌شود،” وانیتا سرینیواسا، استاد فیزیک در دانشگاه رود آیلند (URI) گفت.
با این حال، سرینیواسا و تیمش در URI راه‌حلی برای این مشکل یافته‌اند. در مطالعه جدیدشان، آن‌ها سیستم ماژولاری را پیشنهاد می‌دهند که می‌تواند چالش‌های مذکور را برطرف کرده و کیوبیت‌ها را در فواصل طولانی متصل کند.
استفاده از فرکانس‌های اضافی برای اتصال کیوبیت‌ها
برای ساختن یک پردازنده کوانتومی قدرتمند، کیوبیت‌های آن باید به هم درهم‌تنیدگی کوانتومی دست یابند. این به این معناست که میلیون‌ها کیوبیت باید به گونه‌ای متصل شوند که حالت یک کیوبیت بلافاصله بر حالت کیوبیت دیگر تأثیر بگذارد، بی‌توجه به فاصله‌ای که دارند.
این امکان را به کیوبیت‌ها می‌دهد که اطلاعات را به روش خاصی به اشتراک بگذارند، به طوری که کامپیوترهای کوانتومی بتوانند به طور همزمان چندین محاسبه را انجام داده و مسایل پیچیده را هزار بار سریعتر از کامپیوترهای کلاسیک حل کنند.
با این حال، درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها نیازمند کنترل و اتصال کیوبیت‌ها در فواصل طولانی است. سیستم ماژولار پیشنهادی بیان می‌کند که اعمال ولتاژهای نوسانی فرکانس‌های اضافی برای هر کیوبیت معرفی می‌کند.
بدین معنا که هر کیوبیت علاوه بر فرکانس اصلی خود، یک فرکانس اضافی دارد.
طبق گفته پژوهشگران، در حالی که فرکانس اصلی برای کنترل فردی کیوبیت‌ها استفاده می‌شود، فرکانس اضافی آن‌ها می‌تواند برای اتصال آن‌ها تطبیق یابد.
“ما توصیف می‌کنیم که چگونه اعمال ولتاژهای نوسانی به طور موثر فرکانس‌های اضافی برای هر کیوبیت ایجاد می‌کند تا چندین کیوبیت را بدون نیاز به تطابق تمام فرکانس‌های اصلی آن‌ها به هم متصل کنیم. این امکان را می‌دهد که کیوبیت‌ها به هم متصل شوند و همزمان به هر کیوبیت اجازه می‌دهد تا فرکانس متمایزی برای کنترل فردی داشته باشد.” نویسندگان مطالعه اشاره می‌کنند.
راه‌حلی عملی برای اتصال کیوبیت‌ها
یک مشکل دیگر وجود دارد. کیوبیت‌ها نمی‌توانند به طور مستقیم به هم متصل شوند زیرا به یک واسط نیاز دارند که به تطبیق فرکانس‌های آن‌ها کمک کند و اطلاعات بین آن‌ها را انتقال دهد.
به این منظور، نویسندگان مطالعه از فوتون‌های خاص حفره‌ای مایکروویوی استفاده کردند. بنابراین هنگامی که فرکانس‌های کیوبیت‌ها نزدیک به هم ولی یکسان نیستند، این فوتون‌ها کمک می‌کنند تا فرکانس‌ها تطبیق یابند و ارتباط بین کیوبیت‌ها را تسهیل کنند.
مطالعه ما “دستورالعمل‌های جامعی برای پیوندهای درهم‌تنیدگی طولانی‌مدت سفارشی فراهم می‌کند که انعطاف‌پذیری با ایجاد چندین فرکانس برای هر کیوبیت برای اتصال با فوتون‌های حفره‌ای مایکروویوی از یک فرکانس خاص، مانند چندین کلیدی که می‌توانند به یک قفل مشخص بخورند، فراهم می‌کند,” گفت سرینیواسا.
این رویکرد ماژولار راه‌حلی عملی برای یک سیستم کوانتومی فراهم می‌کند تا به سادگی به تطبیق فرکانس‌های مختلف کیوبیت‌ها بپردازد. علاوه بر این، به اندازه کافی انعطاف‌پذیر است تا انواع مختلف درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌ها را پشتیبانی کند و کمتر به مشکلات نشت فوتون دچار شود.
“من برای قدم بعدی هیجان‌زده هستم که این ایده‌ها را به دستگاه‌های کوانتومی واقعی در آزمایشگاه اعمال کنیم و ببینیم برای عملی کردن آن‌ها چه باید انجام دهیم,” افزود سرینیواسا.
این مطالعه در مجله PRX Quantum منتشر شده است.
