کوچکترین کامپیوتر کوانتومی جهان رونمایی شد، مسائل را با تنها ۱ فوتون حل می‌کند
محققان در تایوان ادعا کرده‌اند که کوچکترین کامپیوتر کوانتومی تک‌فوتونی در جهان را ساخته‌اند.
در یک کنفرانس مطبوعاتی، گروهی از دانشگاه ملی چینگ هوا (NTHU) خلاقیت خود را به نمایش گذاشتند. آنها نحوه استفاده از "الگوریتم شور" برای حل مسائل تجزیه به عوامل ساده در کامپیوتر کوانتومی با اندازه جعبه خود را نشان دادند.
این گروه توانسته‌اند بر چالش‌های مهمی در توسعه محاسبات کوانتومی مانند نیاز به شرایط دمای پایین و مصرف انرژی بالا غلبه کنند.
یک فوتون با ابعاد بالا، که ذره ای بنیادی در تعاملات الکترومغناطیسی است، دارای یک بسته موج است که شامل "۳۲ زمان-باین یا بعد" از اطلاعات است که می‌تواند توسط کامپیوتر کوانتومی بسیار کوچک محققین کدگذاری شود.
نوآوری جمع و جور
از دست رفتن اطلاعات و خطاهای محاسباتی ناشی از ارتعاشات یا میدان‌های مغناطیسی مشکلات رایج در محاسبات کوانتومی هستند. با این حال، فوتون‌ها در توسعه کامپیوترهای کوانتومی تجاری مزیتی عمده را به عنوان انتقال طولانی‌مدت‌تر و حساسیت کمتر در برابر تداخل ارائه می‌دهند.
در مقابل کامپیوترهای معمولی که از بردهای مدار برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند، محاسبات کوانتومی از فوتونیک برای انتقال داده‌ها و فیزیک کوانتومی برای پردازش آنها استفاده می‌کند.
کمترین واحد اطلاعات در کامپیوترهای معمولی یک بیت است که فقط می‌تواند ۰ یا ۱ را نمایش دهد. از سوی دیگر، برهم‌نهی کوانتومی اجازه می‌دهد تا یک بیت کوانتومی یا کوبیت به عنوان هر دو ۰ و ۱ به طور همزمان وجود داشته باشد. به همین دلیل است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند عملیات پیچیده‌ای از قبیل تجزیه به عوامل ساده و جستجوهای داده‌های بزرگ را تا ۱۰۰ میلیون بار سریع‌تر از کامپیوترهای سنتی انجام دهند.
در سال 2021، محققان دانشگاه اینسبروک در گامی به سوی فناوری کوانتومی قابل دسترسی و مقیاس‌پذیر، یک پردازنده کوانتومی جمع و جور ساخته‌اند که در دو رک استاندارد سرور، هر کدام با ابعاد 1.7 مترمکعب قرار دارد. این دستگاه با عملکرد مدل‌های بزرگ آزمایشگاهی برابری می‌کند و می‌تواند تا 50 کوبیت را پشتیبانی کند و توسط افراد غیرمتخصص نیز قابل‌عمل استفاده است.
این دستگاه از کوبیت‌های نوری مبتنی بر یون کلسیم استفاده می‌کند، که در آنها درهم‌تنیدگی توسط پالس‌های لیزری که حالت یون‌ها را تغییر می‌دهند، تولید می‌شود. تله‌های میدان الکتریکی ماکروسکوپی که تا 50 یون را کنترل می‌کنند، پردازنده را به کار می‌اندازند. معماری مدولار آن شامل قطعاتی برای ارتباطات از راه دور، تله‌گذاری یون و کنترل لیزر است که همه در جعبه‌های آلومینیومی داخل رک‌ها نگهداری می‌شوند.
محاسبه فوتون محور
به دلیل دوام و مقیاس‌پذیری‌اش، فوتونیک به عنوان یک پلتفرم برای استقرار فناوری‌های کوانتومی امید زیادی به نمایش گذاشته است.
در مطالعه جدید، محققان با موفقیت الگوریتم شور را با استفاده از یک فوتون ساده از طریق کدگذاری و دست‌کاری 32 حالت زمان‌بین درون بسته موج آن پیاده‌سازی کردند. این دستاورد توانایی‌های پردازش اطلاعات قوی یک فوتون در ابعاد بالا را برجسته می‌کند.
به گفته تیم، با بهره‌گیری از مدولاتورهای الکترواپتیکی تجاری با قابلیت عرضه پهنای باند 40 گیگاهرتز، امکان کدگذاری بیش از 5000 حالت زمان-باین بر روی فوتون‌های بلند وجود دارد. در حالی که مدیریت حالات با ابعاد بالا می‌تواند چالش‌برانگیزتر از کار با کوبیت‌ها باشد، این کار نشان‌دهنده آن است که این حالات زمان-باین با استفاده از یک حلقه فیبری برنامه‌پذیر جمع و جور می‌توانند به طور مؤثر آماده و دست‌کاری شوند.
علاوه بر این، پورتال‌های کوانتومی با ابعاد بالا می‌توانند دست‌کاری را تقویت کنند و با استفاده از چند فوتون در مقیاس‌پذیری مؤثر واقع شوند. کاهش تعداد منابع فوتون ساده و آشکارسازها می‌تواند بازده شمارش همزمانی‌ها بر روی شمارش‌های تصادفی را بهبود بخشد. تحقیق حاکی از آن است که حالات با ابعاد بالا در کانال‌های کوانتومی نسبت به نویز مقاوم‌تر هستند و حالات کدگذاری شده زمان-باین فوتون‌های بلند برای محاسبات کوانتومی با ابعاد بالا در آینده امیدبخش هستند.
فوتون‌ها همچنین با فراهم آوردن انتقال اطلاعات در مسافت‌های طولانی با تداخل کم، فواید قابل‌توجهی برای کاربردهای تجاری ارائه می‌دهند.
در طول یک جلسه مطبوعاتی، تیم NTHU تأکید کرد که گجت کوچک کوانتومی مبتنی بر فوتون آنها بدون نیاز به سیستم‌های سرمایشی عظیم کار می‌کند، برخلاف بسیاری از کامپیوترهای کوانتومی در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی پیشرو. به گفته محققان، این کشف یک پیشرفت مهم در حوزه فناوری‌های کوانتومی محسوب می‌شود.
کاربردهای ممکن محاسبات کوانتومی فوتونیکی در چندین حوزه آینده مانند امنیت داده‌ها، هوش مصنوعی، تحقیقات پزشکی، و بهینه‌سازی لجستیک نیز ذکر شد.
تیم ادعا می‌کند که با بهره‌گیری از ویژگی‌های منحصربه‌فرد فوتون‌ها، این نوع از محاسبات کوانتومی می‌تواند راه‌حل‌هایی سریع‌تر و مؤثرتر برای مسائل پیچیده ارائه دهند و آن را به عنوان یک ابزار قدرتمند در پیشبرد حوزه‌های مختلف علم و فناوری معرفی کنند.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله Physical Review Applied منتشر شده است.
