پژوهشگران تایوانی ادعا می‌کنند که کوچکترین رایانه کوانتومی تک فوتونی جهان را ساخته‌اند.

گروهی از دانشگاه ملی چینهوا(Tsing Hua) در یک کنفرانس مطبوعاتی اعلام کردند که کوچکترین رایانه کوانتومی جهان را که به اندازه یک جعبه کفش است، ساخته‌اند.

این گروه توانست بر موانع مهمی در توسعه محاسبات کوانتومی مانند نیاز به شرایط دمای پایین و تقاضای انرژی بالا غلبه کند.

یک فوتون منفرد با ابعاد بالا، ذره‌ای بنیادی است که در برهمکنش‌های الکترومغناطیسی دخیل است و دارای یک بسته موج است که حاوی «۳۲ بُعد» اطلاعاتی است که می‌تواند توسط این رایانه کوانتومی فوق‌العاده کوچک رمزگذاری شود.

یک نوآوری فشرده

از دست دادن اطلاعات و خطاهای محاسباتی ناشی از ارتعاشات یا میدان‌های مغناطیسی از مشکلات رایج در محاسبات کوانتومی هستند.

با این حال، فوتون‌ها به دلیل گستره انتقال گسترده و کاهش حساسیت به تداخل، مزیت عمده‌ای در توسعه رایانه‌های کوانتومی تجاری دارند.

برخلاف رایانه‌های معمولی که از بردهای مداری برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند، محاسبات کوانتومی از فوتونیک برای انتقال داده و از فیزیک کوانتومی برای پردازش آن استفاده می‌کنند.

یک بیت که فقط می‌تواند ۰ یا ۱ را نشان دهد، کوچکترین واحد اطلاعات در یک رایانه معمولی است. از سوی دیگر، برهم‌نهی کوانتومی به بیت کوانتومی یا کیوبیت اجازه می‌دهد تا همزمان به صورت ۰ و ۱ وجود داشته باشد.

رایانه‌های کوانتومی به دلیل این ویژگی می‌توانند عملیات‌های پیچیده از جمله جستجوی داده‌های بزرگ را تا ۱۰۰ میلیون بار سریع‌تر از رایانه‌های سنتی انجام دهند.

در سال ۲۰۲۱ در گامی مؤثر به سمت فناوری کوانتومی قابل دسترسی و مقیاس‌پذیر، محققان دانشگاه اینسبروک(Innsbruck) یک پردازنده کوانتومی فشرده را توسعه دادند که در دو ردیف سرور استاندارد قرار داشت که هر کدام ۱.۷ متر مکعب اندازه داشتند.

این دستگاه با عملکرد مدل‌های آزمایشگاهی بزرگتر مطابقت دارد و می‌تواند تا ۵۰ کیوبیت را پشتیبانی کند که توسط افراد غیر متخصص نیز قابل اجراست.

این دستگاه از کیوبیت‌های نوری مبتنی بر یون کلسیم استفاده می‌کند که در آن درهم‌تنیدگی توسط پالس‌های لیزری ایجاد می‌شود که حالت یون‌ها را تغییر می‌دهد.

تله‌های میدان الکتریکی ماکروسکوپی که تا ۵۰ یون را تنظیم می‌کنند، پردازنده را به کار می‌گیرند. معماری ماژولار آن شامل قطعاتی برای ارتباط از راه دور، به دام انداختن یون و کنترل لیزری است که همگی در جعبه‌های آلومینیومی داخل قفسه‌ها نگهداری می‌شوند.

محاسبات مبتنی بر فوتون

فوتونیک با توجه به دوام و مقیاس‌پذیری به عنوان یک پلتفرم برای استقرار فناوری‌های کوانتومی، نویدبخش نشان داده است.

در این مطالعه جدید، محققان الگوریتم شور(Shor) را با استفاده از یک فوتون با رمزگذاری و دستکاری ۳۲ حالت زمان‌بندی در بسته موج آن با موفقیت پیاده‌سازی کردند. این دستاورد قابلیت‌های قوی پردازش اطلاعات یک فوتون منفرد را در ابعاد بالا برجسته می‌کند.

به گفته این تیم، با تعدیل‌کننده‌های الکترواپتیک تجاری موجود که قادر به ارائه پهنای باند ۴۰ گیگاهرتزی هستند، می‌توان بیش از ۵۰۰۰ حالت زمان‌بندی را روی فوتون‌های منفرد طولانی رمزگذاری کرد.

در حالی که مدیریت حالت‌های با ابعاد بالا می‌تواند چالش‌برانگیزتر از کار با کیوبیت‌ها باشد، این کار نشان می‌دهد که می‌توان این حالت‌ها را با استفاده از یک حلقه فیبر قابل برنامه‌ریزی فشرده آماده و به طور مؤثر دستکاری کرد.

علاوه بر این، دروازه‌های کوانتومی با ابعاد بالا می‌توانند با استفاده از فوتون‌های متعدد برای مقیاس‌پذیری، میزان دستکاری را افزایش دهند.

تحقیقات نشان می‌دهد که حالت‌های با ابعاد بالا در برابر نویز در کانال‌های کوانتومی مقاوم‌تر هستند و حالت‌های کدگذاری شده با زمان، فوتون‌های منفرد طولانی را برای محاسبات کوانتومی با ابعاد بالا در آینده امیدوارکننده می‌کنند.

فوتون‌ها همچنین مزایای قابل توجهی را برای کاربردهای تجاری با امکان انتقال اطلاعات از راه دور با تداخل اندک فراهم می‌کنند.

این تیم در یک کنفرانس مطبوعاتی تأکید کرد که این ابزار کوانتومی کوچک مبتنی بر فوتون، برخلاف بسیاری از رایانه‌های کوانتومی در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی پیشرو بدون نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده عظیم عمل می‌کند.

به گفته آنان، این کشف نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در حوزه فناوری‌های کوانتومی است.

کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی فوتونیک در تعدادی از حوزه‌های آینده مانند امنیت داده‌ها، هوش مصنوعی و تحقیقات پزشکی ذکر شده است.

این تیم ادعا می‌کند که با استفاده از خواص منحصر به فرد فوتون‌ها، این شکل از محاسبات کوانتومی می‌تواند راه‌حل‌های سریع‌تر و کارآمدتری برای مسائل پیچیده ارائه دهد و آن را به عنوان ابزاری قدرتمند در پیشبرد زمینه‌های مختلف علم و فناوری قرار دهد.

جزئیات تحقیقات این تیم در مجله Physical Review Applied منتشر شده است.