گامی به‌سمت رایانه‌های کوانتومی

- به‌دلیل کنجکاوی‌های مکانیک کوانتومی، رایانه‌های کوانتومی می‎توانند توان فوق‌العاده‌ای را برای کاربردهایی نظیر: شکستن کدهای رمزی - که امروزه کاربرد گسترده‌ای دارد - فراهم کنند.
- دانشمندان سعی کردند تا یک اتم منفرد را با اسپین بالا در یک حفره و اتمی با اسپین مخالف را در حفره‌ی دیگر قرار دهند. سپس هر دو جفت را ادغام کرده و اتم‌ها را برای داشتن برهمکنش مجبور کردند تا در یک حفره با هم جفت شوند.

فیزیکدانان بخش تجاری «سازمان فناوری و استانداردهای ملی» (NIST) با تحریک هزاران اتم - که به‌وسیله‌ی پرتو لیزر به‌دام افتاده بودند – آن‌ها را وادار به‌مبادله‌ی اسپین با اتم مجاور خود کردند.

به‌گزارش خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا) به‌نقل از ستاد ویژه‌ی توسعه‌ی فناوری نانو به‌نقل از مجله‌ی «نیچر»‌ (Nature)، این مبادله‌های تکرارشونده که فقط 10 میلی‌ثانیه دوام دارند ممکن است روزی انجام عملیات منطقی در رایانه‌های کوانتومی را امکان‌پذیر کنند که در آن صورت می‌توان از نظر تئوری مسائلی را حل کرد که امروزه بهترین ابررایانه‌ها از حل آن عاجزند.

این فعل و انفعال‌های اتمی دورنمایی برای استفاده از اتم‌های خنثی را به‌عنوان کیوبیت‌هایی برای ذخیره‎سازی و پردازش داده‌ها در رایانه‌های کوانتومی ترسیم می‌کند.

اتم‌های خنثی حدود یک سیستم دوازده‎تایی هستند که امروزه در گوشه و کنار جهان به‌عنوان کیوبیت‌ها مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند و ‌برهمکنش ضعیف آن‌ها با محیط ممکن است به کاهش خطاهای محاسباتی کمک کند.

گروه NIST به‌سرپرستی «ویلیام فیلیپس» (William Phillips) بخش اساسی یک عمل به‌اصطلاح تبادلی را تشریح کردند که در آن اتم مجاور، حالت اسپینی درونی‎اش را عوض می‎کند. در رایانه‌های دوزبانه، اتم‎ها مقادیرشان را از یک اسپین بالا به صفر (اسپین پایین) و بالعکس عوض می‌کنند.

بنابراین گزارش، برخلاف بایت‎های کلاسیک که یا در حال تبادل هستند یا خلاف آن، بایت‌های کوانتومی می‎توانند هر دو حالت تبادل و تبادل نداشتن را در یک زمان واحد داشته باشند.

تحت این شرایط، اسپین مبادله‌شده جفتش را تحت یک پدیده‌ی کوانتومی - که خواص اتم‎ها را به هم مرتبط می‎سازد - حتی هنگامی که از لحاظ خواص فیزیکی متفاوت باشند به‌دام می‎‌اندازد. این فرایند یکی از ویژگی‎هایی است که رایانه‌های کوانتومی را بسیار مفید و قدرتمند می‎سازد.

«تری پورتو» (Trey Porto) یکی از محققین این تحقیق می‎گوید: این فرایند تبادل، روشی است بسیار مهم برای ایجاد ارتباط منطقی بین داده‎ها در هر کامپیوتر است. یک عملیات منطقی، مشابه حالتی نظیر اگر .... آن‌گاه ... است مثلاً: اگر دو کیوبیت حالت‎هایی مخالف هم داشته باشند آن‌گاه باید مقادیرشان را تغییر دهند.

آزمایش «ان‌. آی. اس. تی.» (NIST) بر روی حدود 60 هزار اتم روبیدیم در حالت چگالش انیشتین، بوز (BEC) - یک حالت خاص از ماده که در آن همه‌ی اتم‎ها در حالت کوانتومی یکسانی هستند - انجام شد.

آن‌ها درون یک شبکه‌ی نوری سه‌بعدی - که با سه جفت پرتو لیزری مادون قرمز تشکیل شده بود – به‌دام افتادند. لیزرها طوری تنظیم شدند تا دو شبکه‌ی افقی روی هم افتاده، شبیه دو صفحه‌ی مشبک ایجاد کنند. این حالت، جفت‌های بسیار زیادی از حفره‎های انرژی را برای به‌دام انداختن اتم‌ها ایجاد کرد.

دانشمندان سعی کردند تا یک اتم منفرد را با اسپین بالا در یک حفره و اتمی با اسپین مخالف را در حفره‌ی دیگر قرار دهند. سپس هر دو جفت را ادغام کرده و اتم‌ها را برای داشتن برهمکنش مجبور کردند تا در یک حفره با هم جفت شوند.

وقتی که دوتا از این اتم‌های هم‎ارز به موقعیت فیزیکی یکسانی بروند مکانیک کوانتومی نوع خاصی از تقارن را به آن‌ها تحمیل می‎کند. به‌دلیل این محدودیت، اتم‌های ادغام‌شده بین دو حالت - که در آن‌ها یکی از اتم‌ها دارای اسپین یک و دیگری دارای اسپین صفر و حالت مخالف آن است - نوسان می‎کنند.

بنابراین گزارش، اتم‌ها هم‌چنان که در حال مبادله‌ی اسپین هستند به‌داخل ناحیه‌ی به‌دام‎اندازی وارد و از آن خارج می‎شوند. در نقطه‌ی میانی تبادل، اسپین هر اتم نامعلوم است و اگر اندازه‎گیری شود ممکن است به حالت بالا یا پایین تغییر حالت دهد؛ ولی نتیجه هر چه باشد مطمئن خواهیم بود که نتیجه‌ی اندازه‎گیری اتم دیگر مخالف اولی است.

این گیراندازی، ویژگی کلیدی توانمندسازی محاسبه‌های کوانتومی است.

مطابق گزارش «پورتر» (Porto)، این اولین باری است که از مکانیک کوانتومی متقارن (جابه‌جایی متقارن) برای انجام چنین عمل به‌دام‎اندازی استفاده شده‌ است.

پژوهشگران هم‎اکنون بر روی توسعه‌ی روش‌هایی برای تنظیم و دست‎کاری هر جفت از اتم‌ها در شبکه کار می‎کنند و در حال توسعه‌ی قابلیت اطمینان هر مرحله و تکامل عملیات منطقی به‌وسیله‌ی جداسازی اتم‌ها پس از برهم‌کنش آن‌ها با هم هستند.