دستگاه کوانتومی 2.6 میلیارد سال محاسبات را در 4 دقیقه انجام می دهد


چراغ های سبز روشن می کنند که یک جعبه شیشه ای چگونه است.
بزرگنمایی / یک اشعه وارد می شود ، دو اشعه خارج می شود.

من واقعاً به حل مشکلات لیزر اعتقاد دارم. آیا شما از یک جامعه به شدت قطبی و جمعیتی که به سرعت در حال رشد است و در زیر خط فقر زندگی می کنند رنج می برید؟ خوب ، من لیزر دارم تا همه مشکلات شما را برطرف کنم.

خوب ، شاید نه اما وقتی صحبت از محاسبات کوانتومی می شود ، معتقدم لیزر آینده است. من گمان می کنم که معماری های فعلی مشابه Colossus یا ENIAC هستند: اینها به خودی خود پیشرفت بزرگی هستند ، اما آینده نیستند. نظر پذیرفته شده من این است که آینده نوری است. یک سند جدید از نظر من پشتیبانی می کند ، راه حل هایی برای خسته کننده کردن ذهن 10 نشان می دهد30 فضای مشکل با استفاده از یک سیستم نوری کوانتومی. متأسفانه ، تعمیر و نگهداری کمی محدودتر از آنچه که من می خواهم است ، زیرا موفقیت بسیار محدودی است.

فوتون هایی که سکه ها را معکوس می کنند

محققان چیزی به نام سیستم نمونه برداری بوزون گاوسی را نشان داده اند. این اساساً دستگاهی است که برای حل مشکلی از یک نوع طراحی شده است. این دستگاه بر اساس دستگاههایی موسوم به “تقسیم کننده پرتو” است ، بنابراین بیایید با یک نگاه دقیق تر به نحوه کار این کار بپردازیم.

اگر نور را روی آینه ای روشن کنید که 50٪ بازتابنده باشد ، شکاف پرتو نامیده می شود ، در این صورت نیمی از نور منتقل می شود و نیمی از آن منعکس می شود. اگر شدت نور به اندازه کافی کم باشد که فقط یک فوتون وجود داشته باشد ، با همان تصادفی که پرتاب می شود منعکس می شود یا منتقل می شود. این ایده در پشت شکاف پرتو است که می تواند جریان ورودی فوتونها را از یک پرتوی لیزر گرفته و آن را به دو پرتوی که در جهات مختلف حرکت می کنند تقسیم کند.

شکاف پرتو در 45 درجه را می توان یک دستگاه چهار پورت در نظر گرفت (عکس را ببینید). در این تصویر می بینید که اگر دو فوتون یکسان از دو پورت مختلف در شکاف پرتو یکسان قرار گیرند ، نتیجه این نیست به طور کامل تصادفی. هر دو از یک پورت بیرون می آیند ، اما اینکه کدام پورت خارج می شود تصادفی است.

تداخل بین دو فوتون منفرد در یک آینه تا حدودی بازتابنده.  اگر این دو فوتون یکسان باشند (چپ) ، آنها همیشه با هم بیرون می آیند (اگرچه جهت اختیاری است).  اگر فوتون ها یکسان نباشند ، می توانند از جهات مختلف خارج شوند (راست).
بزرگنمایی / تداخل بین دو فوتون منفرد در یک آینه تا حدودی بازتابنده. اگر این دو فوتون یکسان باشند (چپ) ، آنها همیشه با هم بیرون می آیند (اگرچه جهت اختیاری است). اگر فوتون ها یکسان نباشند ، می توانند از جهات مختلف خارج شوند (راست).

کریس لی

این دو ایده ساده ، همراه با ایده درهم تنیدگی ، منجر به نوع خاصی از رایانه کوانتومی جهانی به نام رایانه کوانتومی نوری خطی می شود. در اصل ، این یک شبکه بزرگ از تقسیم پرتو است. فوتون ها مشكلی را در راه انتشار از طریق وب حل می كنند كه این مسئله براساس محل سكونت خود تعیین می شود.

درهم آمیختگی به شکل مسیری است که فوتون ها طی می کنند. تا زمانی که این مسیر را اندازه گیری نکنیم ، نمی توانیم از جزئیات آن مطلع شویم ، بنابراین باید در نظر داشته باشیم که همه فوتون ها تمام مسیرهای ممکن را طی می کنند. در این شرایط ، اگر دو فوتون از طریق پورت های مختلف به طور همزمان به یک تقسیم کننده پرتو برسند ، در این صورت مسیرهای آنها بهم متصل می شوند (درهم می شوند). شبکه ای به اندازه کافی بزرگ از تقسیم کننده های پرتو ایجاد کنید و این می تواند بارها اتفاق بیفتد و حالت های درهم و برهم کشیده ایجاد کند.

پرواز سکه های فوتون درهم

تعداد حالتهای خروجی با تعداد ورودیها و تقسیم کننده های پرتو خیلی سریع مقیاس می شود. در نمایش حاضر ، محققان از 50 ورودی استفاده کردند و – نوع دقیق دستگاه توصیف نشده است – تراشه ای معادل 300 پرتوی شکاف. تعداد کل حالتهای اولیه ممکن حدود 10 است30، که حدود 14 مرتبه بزرگتر از بزرگترین نمایش بعدی محاسبات کوانتومی است.

فوتونها به شبکه ارسال می شوند (در هر ورودی یکی) و در حالتی خارج می شوند که به طور تصادفی از تمام حالت های ممکن انتخاب شود. در کمتر از چهار دقیقه ، محققان نتایجی بدست آورده اند که به اعتقاد آنها محاسبه یک رایانه سریع و کلاسیک حدود 2.5 میلیارد سال به طول خواهد انجامید.

به دنبال این آزمایش های دقیق ، بررسی شد که آیا رفتار واقعاً کوانتومی است یا خیر. البته اکنون محاسبه دقیق خروجی برای ورودی کامل غیرممکن است. اما می توان آنچه را که در حالت های ورودی خاص اتفاق می افتد محاسبه کرد و حالت های خروجی را با نتایج این محاسبات مقایسه کرد. همچنین اگر نور در حالت کوانتومی نباشد یا فوتون ها یکسان نباشند ، می توان خروجی شبکه را محاسبه کرد. در حالت اول ، نتایج اندازه گیری با پیش بینی ها مطابقت دارد و در دو حالت دوم ، نتایج اندازه گیری با پیش بینی ها مطابقت ندارد. این شواهد محکمی ارائه می دهد که نتیجه آن به دلیل اثرات کوانتومی است.

تبدیل بی فایده

از بسیاری جهات ، این یک نتیجه خارق العاده است. فکر نمی کنم کسی بتواند به راحتی بگوید که محققان شتاب کوانتومی نشان ندادند. این نیز یک دستاورد مهندسی شگفت انگیز است. یک لیزر 25 پرتو با شدت برابر را فراهم می کند ، هر کدام با دقت به دو کریستال تراز می شوند ، که هر کدام تک فوتون ها را تولید می کنند. سپس آنها با دقت با الیاف نوری همسو می شوند ، خروجی های آن باید با دقت به تراشه ای که در آن شکاف پرتو قرار دارد متصل شوند. خروجی ها باید با دقت با آشکارسازهای نوری مطابقت داشته باشند. کل دستگاه ، که احتمالاً مساحتی در حدود 1.5 2.5 2.5 متر دارد ، باید با دقت بالا (حدود 10 نانومتر) با دقت تثبیت شود. بدون شک برخی از دانشجویان دکتری فوق العاده افتخار وجود دارد که تمام این کارهای سخت را انجام داده اند.

از طرف دیگر ، کار با آزمایش های دیگر با مزیت های کوانتومی تفاوتی ندارد: مسئله ای را که در نظر گرفته شده است ، در نظر بگیرید اغلب بی فایده است ، اما اتفاق می افتد دقیقاً با معماری رایانه شما مطابقت داشته باشد. البته کامپیوتر می تواند آن را حل کند. اما نکته رایانه – و به همین دلیل محققان دستگاه را رایانه نمی نامند – تصمیم گیری است خیلی متفاوت مشکلات مفید و برای این موارد ، ما هنوز شواهد قطعی از مزیت کوانتومی وعده داده نشده است. شک ندارم که به هر حال او خواهد آمد.

نور روشنگر است

اگرچه این کار به نظر می رسد خیلی مثبت نباشد ، اما هنوز هم فکر می کنم رایانه های کوانتومی نوری راهی برای پیشرفت هستند.

در حال حاضر ، رایانه های کوانتومی کاربردی فقط در دو نوع موجود هستند. تنوع با طعم شیرین بیان از یک رشته یون (اتمی که الکترون از آن خارج شده) تشکیل شده است که همه آنها مانند یک رشته مروارید چیده شده اند. یون ها به اندازه کافی دور هستند که می توان به طور جداگانه به آنها پرداخت ، این بدان معناست که اطلاعات (به صورت بیت های کوانتومی به نام کیوبیت) می توانند توسط اتم های جداگانه ذخیره و خوانده شوند. عملیات محاسباتی را می توان با استفاده از مایکروویو و با استفاده از حرکت یونی انجام داد. در اینجا هر بیت بسیار قابل اعتماد است ، اما انجام محاسبات پیچیده کاملاً دشوار و باشکوه از پالس های مایکروویو و پالس های لیزر است.

شربت لیمو در رایانه های کوانتومی حلقه های ابررسانای هلیوم با مایع هستند. هر حلقه یک کیوبیت است که با سیم خطاب شده و به یکدیگر متصل می شود. مزیت این روش این است که مقیاس بندی سخت افزار نسبتاً آسان است – در واقع همان مهارت ساخت PCB است. اما شکستن رفتار کوانتومی هر کیوبیت بسیار راحت تر است ، بنابراین بعید است که صفحه شما کار کند. شما با تکرار محاسبات بارها و بارها و به دنبال رایج ترین پاسخ ، مشکل قابلیت اطمینان را جبران می کنید.

هیچ یک از گزینه ها در زمینه ای غیر از محاسبات کوانتومی به عنوان یک سرویس جذابیت خاصی ندارد.

اندازه و دما

در مقابل دو گزینه ، رایانه کوانتومی نوری می تواند یک مقیاس تراشه بزرگ (بزرگ) باشد که توسط تعدادی دیود لیزر تأمین می شود ، و قرائت های آن توسط یک سری آشکارسازهای تک فوتونی انجام می شود. هیچ یک از آنها به درجه حرارت فوق العاده کم یا خلا نیاز ندارند (در صورت نیاز به آشکارسازهای فوتون ، به نیتروژن مایع نیاز خواهد بود). محاسبات کوانتومی نوری به پایداری دما و همانطور که این مقاله نشان می دهد ، به یک سیستم بازخورد نسبتاً پیچیده نیاز دارند تا اطمینان حاصل شود که لیزرها دقیقاً مطابق نیاز کار می کنند. با این حال ، همه اینها را می توان در یک جعبه بزرگ نصب شده در صندوق عقب قرار داد. و این برای من مزیت حیاتی سیستمهای نوری است.

این به معنای پیروزی نور نیست. از این گذشته ، ژرمانیوم نیمه رسانای بهتری نسبت به سیلیسیم است ، اما سیلیسیم هنوز شب را هدایت می کند.

مجله علوم ، 2020 ، DOI: 10.1126 / science.abe8770 (برای DOI)


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*