ایجاد رایانه‌های کوانتومی قدرتمند نیازمند پردازنده‌های کوانتومی با میلیون‌ها کیوبیت است. با این حال در حال حاضر، پیشرفته‌ترین پردازنده کوانتومی فقط از ۱۰۰۰ کیوبیت تشکیل شده است. این بدان معنی است که ما در دستیابی به پتانسیل واقعی رایانه‌های کوانتومی بسیار عقب هستیم و چالش آن نیز در کنترل و اتصال کیوبیت‌ها نهفته است.

هر کیوبیت در یک رایانه کوانتومی با فرکانس خاصی کار می‌کند. برای مهار کامل توان یک سامانه کوانتومی، هر کیوبیت باید به صورت جداگانه با تنظیم فرکانس آن کنترل شود. ضمن اینکه برای اتصال کیوبیت‌ها تطبیق فرکانس آنها مهم است.

وانیتا سرینیواسا(Vanita Srinivasa) استادیار فیزیک در دانشگاه رود آیلند(URI) می‌گوید: از آنجایی که یک پردازنده کوانتومی به تعداد بیشتری کیوبیت مقیاس‌بندی می‌شود، امکان دستیابی همزمان به هر دوی این عملیات‌ها برای هر کیوبیت بسیار چالش برانگیز است.

با این حال، سرینیواسا و همکارانش راه حلی برای این مشکل پیدا کرده‌اند. آنها در مطالعه جدید خود یک سیستم ماژولار را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند بر چالش‌های ذکر شده غلبه کند و کیوبیت‌ها را در فواصل طولانی متصل کند.

استفاده از فرکانس‌های اضافی برای پیوند کیوبیت‌ها

برای ساخت یک پردازنده کوانتومی قدرتمند، کیوبیت‌های آن باید به درهم‌تنیدگی کوانتومی دست یابند. این بدان معناست که میلیون‌ها کیوبیت باید به گونه‌ای به هم متصل شوند که وضعیت یک کیوبیت، فارغ از فاصله بین آنها در لحظه بر وضعیت دیگری تأثیر بگذارد.

این به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد تا اطلاعات را به روشی منحصربه‌فرد به اشتراک بگذارند و رایانه‌های کوانتومی را قادر می‌سازد تا چندین محاسبه را به طور همزمان انجام دهند و مسائل پیچیده را هزار بار سریع‌تر از رایانه‌های سنتی حل کنند.

با این حال، درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها نیازمند کنترل و اتصال کیوبیت‌ها در فواصل طولانی است. بنابراین سیستم ماژولار پیشنهادی، اعمال ولتاژهای نوسانی را پیشنهاد می‌کند که فرکانس‌های اضافی را برای هر کیوبیت معرفی می‌کند. این بدان معناست که جدا از فرکانس اصلی، هر کیوبیت اکنون یک فرکانس اضافی دارد.

به گفته محققان، در حالی که فرکانس اصلی می‌تواند برای کنترل کیوبیت‌ها به صورت جداگانه استفاده شود، فرکانس اضافی آنها می‌تواند برای اتصال آنها مطابقت داده شود.

محققان می‌گویند ما توضیح می‌دهیم که چگونه اعمال ولتاژهای نوسانی به طور موثر فرکانس‌های اضافی را برای هر کیوبیت ایجاد می‌کند تا چندین کیوبیت را بدون نیاز به مطابقت با فرکانس‌های اصلی آنها به هم پیوند دهند.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند که این کار اجازه می‌دهد تا کیوبیت‌ها به هم متصل شوند و به طور همزمان به هر کیوبیت اجازه می‌دهد تا فرکانس مشخصی را برای کنترل خود حفظ کند.

یک راه عملی برای اتصال کیوبیت‌ها

یه مشکل دیگر هم وجود دارد. به گفته محققان، کیوبیت‌ها را نمی‌توان مستقیم به هم متصل کرد، زیرا به واسطه‌ای برای کمک به تطبیق فرکانس‌های آنها و انتقال اطلاعات بین آنها نیاز است.

برای این منظور، محققان این مطالعه از فوتون‌های حفره مایکروویو ویژه استفاده کردند. بنابراین وقتی فرکانس‌های کیوبیت نزدیک هستند اما یکسان نیستند، این فوتون‌ها به تنظیم فرکانس‌ها و تسهیل ارتباط بین کیوبیت‌ها کمک می‌کنند.

سرینیواسا می‌گوید: مطالعه ما دستورالعمل‌های جامعی را برای پیوندهای درهم‌تنیده در فواصل طولانی ارائه می‌کند که با در دسترس قرار دادن فرکانس‌های متعدد برای هر کیوبیت برای اتصال با فوتون‌های حفره مایکروویو با فرکانس معین، مانند کلیدهای متعددی که می‌توانند با یک قفل مشخص سازگار شوند، انعطاف‌پذیری را امکان‌پذیر می‌سازد.

این رویکرد ماژولار، روشی عملی برای یک سیستم کوانتومی فراهم می‌کند تا به راحتی با فرکانس‌های کیوبیت‌های مختلف سازگار شود. علاوه بر این، به اندازه کافی منعطف است تا انواع مختلف درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌ها را پشتیبانی کند و کمتر در معرض مسائل مربوط به نشت فوتون است.

سرینیواسا افزود: من برای مرحله بعدی هیجان‌زده هستم، یعنی اعمال این ایده‌ها در دستگاه‌های کوانتومی واقعی در آزمایشگاه و پیدا کردن آنچه که باید انجام دهیم تا این رویکرد در عمل کار کند.

این مطالعه در مجله PRX Quantum منتشر شده است.