پروتکل محاسبات کوانتومی از هدف قرار دادن اتم های منفرد در یک آرایه اجتناب می کند - Physics World

بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) مبتنی بر اتم‌های سرد، نامزدهای جذابی برای محاسبات کوانتومی هستند. با این حال، هدف قرار دادن اتم های منفرد در یک آرایه با لیزر برای دستکاری آنها به صورت جداگانه برای پردازش اطلاعات کوانتومی همچنان یک چالش است. اکنون، فرانچسکو سزا و هانس پیچلر در دانشگاه اینسبروک اتریش پروتکل جدیدی برای محاسبات کوانتومی طراحی کرده اند که بر هدف قرار دادن اتم های منفرد متکی نیست. محققان دیگر اکنون در تلاش هستند تا این پروتکل را در آزمایشگاه پیاده سازی کنند.

کامپیوترهای کوانتومی باید قادر به انجام محاسباتی باشند که فراتر از توانایی قدرتمندترین ابرکامپیوترهای معمولی است. با این حال، این فناوری هنوز در مرحله اولیه توسعه است و مشخص نیست که چه نوع کیوبیت ها بهترین هستند. امروزه، کیوبیت‌های مبتنی بر مدارهای ابررسانا پیشرفته‌ترین هستند – اما کیوبیت‌های مبتنی بر آرایه‌های یون‌های سرد نیز موفق بوده‌اند.

اخیراً، آرایه هایی از اتم های خنثی فوق سرد نیز برای استفاده به عنوان کیوبیت مورد بررسی قرار گرفته اند. اتم ها به دلیل پایداری، مقیاس پذیری، ماهیت یکسان و قابل کنترل به لطف پیشرفت های فناوری لیزر جذاب هستند. اتم‌ها می‌توانند به حالت‌های ریدبرگ برانگیخته شوند و به اتم‌ها اجازه تعامل و درهم‌تنیدگی را می‌دهند - که یک فرآیند کلیدی در محاسبات کوانتومی است.

تنظیمات کوانتومی

در آرایه های اتمی، لیزرها موچین های نوری با فواصل منظمی را برای نگه داشتن اتم ها در جای خود تشکیل می دهند. لیزرهای دیگر برای تنظیم حالات کوانتومی اتم ها با تحریک آنها استفاده می شود. آنها را وادار به آزاد کردن انرژی و بازگشت به حالت اولیه خود کنید. یا رها کردن اتم در برهم نهی از حالات انرژی. برهم نهی برای محاسبات کوانتومی مفید است.

لیزرهایی که حالت‌های اتم‌ها را دستکاری می‌کنند، معمولاً کل آرایه را روشن می‌کنند، که پردازش اطلاعات کوانتومی موجود در اتم‌های جداگانه را دشوار می‌کند. با این حال در سال 2022، تیمی از محققان در ایالات متحده و بریتانیا این را نشان دادند هدف گیری تک اتم ها با پرتوهای لیزر همچنین در آن سال، تیمی که شامل پیلچر بود، رویکرد متفاوتی را در پیش گرفت حرکت اتم های منفرد در یک آرایه

پیچلر می گوید: «من از طرفداران بزرگ این رویکرد هستم دنیای فیزیکاما او می افزاید که رویکردی که به کنترل اتم های منفرد نیاز ندارد، می تواند مزایایی داشته باشد.

سزا موافق است، "در واقع، نتایج کنونی در مورد آدرس دهی محلی بسیار امیدوار کننده - و بسیار هیجان انگیز است - اما این یکی از ظریف ترین جنبه های محاسبات با اتم های Rydberg است." او می‌افزاید: «این قابل درک است که ترجیح می‌دهیم تا حد امکان از چنین ابزار ظریفی استفاده کنیم و بیشتر به کنترل‌های جهانی تکیه کنیم.»

به امتداد کشیده شد

در پروتکل جدید آنها، هر کیوبیت رشته ای از اتم ها به نام سیم است. هر سیم می تواند در یکی از دو حالت کوانتومی یا در برهم نهی آن دو وجود داشته باشد. سزا توضیح می‌دهد، «در هر مرحله از محاسبات، اطلاعات در زیر مجموعه‌ای از اتم‌ها در هر سیم ذخیره می‌شود. این زیرمجموعه شامل "اتم های رابط" است که بین دو بخش سیم ساخته شده از اتم هایی قرار دارد که از نظر حالت برانگیخته و پایه آنها ترتیب متفاوتی دارند. در یک پیکربندی استاندارد، اتم‌های یک طرف رابط به طور متناوب بین حالت‌های زمین و ریدبرگ برانگیخته و اتم‌های طرف دیگر همگی در حالت پایه هستند.

در یک سیم، یک اتم نمی تواند برانگیخته شود زمانی که در فاصله معینی از اتم برانگیخته دیگر قرار دارد - فاصله ای به نام "شعاع محاصره Rydberg". این بدان معنی است که یک پالس فرودی فقط اتم های یک طرف رابط را تحریک می کند. اینکه آیا اولین اتم بعد از اتم واسط تغییر حالت می دهد به وضعیت اتم واسط بستگی دارد. به این ترتیب رابط و اطلاعاتی که آن را رمزگذاری می‌کند می‌تواند همزمان با پالس شدن سیستم، سیم را به سمت بالا حرکت دهد - یا اگر پالس‌ها معکوس شوند، سیم را به سمت پایین برگردانند.

تا کنون، اطلاعات در حال حرکت به سمت بالا و پایین بدون تغییر است. تغییر زمانی رخ می دهد که اتم واسط با "ابر اتم ها" روبرو شود. اینها خوشه‌هایی از اتم‌ها در یا بین مکان‌های خاصی در آرایه‌ای از سیم‌ها هستند که می‌توانند وضعیت کیوبیت را تغییر دهند. این به طور موثر اطلاعات کوانتومی نگهداری شده در یک آرایه را پردازش می کند.

Pichler توضیح می‌دهد: «می‌توانید آن را به‌عنوان کدگذاری الگوریتم در [پیکربندی] ابراتم‌ها یا در توالی پالسی که در اطراف اطلاعات شما حرکت می‌کند، ببینید». او می افزاید: «فکر می کنم زیباست که دینامیک طبیعی بسیاری از سیستم های بدن کوانتومی را به روشی بسیار شفاف به پردازش اطلاعات کوانتومی متصل می کند».

پروتکل های مکمل

Pichler اشاره می‌کند که پروتکل آنها می‌تواند تکنیک‌هایی را تکمیل کند که اتم‌های منفرد را "به عنوان یک دکمه اضافی در طراحی پردازنده‌های کوانتومی" هدف قرار می‌دهند. برخی از فرآیندها می توانند از رویکرد هدفمند استفاده کنند، در حالی که سایر برنامه های فرعی ممکن است با پرداختن به کل آرایه به طور موثر به دست آیند. سزا می‌افزاید: «با به کارگیری ایده‌های ما، می‌توان به شدت تماس‌های مربوط به کنترل اتم‌های فردی را کاهش داد و عاقلانه تصمیم گرفت که چه زمانی از آن استفاده شود.

مارک سافمن در دانشگاه ویسکانسین در مدیسون متخصص در مورد هدف قرار دادن اتم های منفرد است. او پروتکل جدید را به عنوان "راه حل غیرمنتظره ای برای دستیابی به محاسبات کوانتومی جهانی با آرایه های کنترل شده جهانی از اتم های برهم کنش Rydberg" توصیف می کند.

کیوبیت اتم خنثی جدید مزایایی را برای محاسبات کوانتومی ارائه می دهد

او گفت: دنیای فیزیک که الزام برای کنترل موقعیت و حالت کوانتومی اتم‌های منفرد «بار سنگینی بر الزامات سیستم کنترل نوری وارد می‌کند. رویکرد جهانی Cesa و Pichler این الزام را حذف می‌کند، که ممکن است مسیر مقیاس‌پذیری را کوتاه‌تر کند. با این حال، او همچنین اشاره می کند که "معماری هنوز تصحیح خطا را شامل نمی شود، که بدون شک برای دستیابی به مزیت کوانتومی برای سخت ترین برنامه ها مورد نیاز است".

Pichler و Cesa موافق هستند، و آنها تصحیح خطا را به عنوان کار کلیدی بعدی می بینند. Pichler می‌گوید: «این یک روش جدید پردازش کوانتومی است و نیاز به تفکر جدیدی در مورد چگونگی سرکوب خطاها دارد. او خاطرنشان می کند که از آنجایی که هر کیوبیت از رشته ای از اتم ها استفاده می کند - نه فقط یک اتم - این فرآیند ممکن است ساده لوحانه بیشتر مستعد خطا در نظر گرفته شود. با این حال، اثرات خطاها باید دید.

Cesa و Pichler قبلاً ویژگی‌هایی را شناسایی کرده‌اند که می‌توان از آنها برای کمک به تصحیح خطا استفاده کرد و اشاره کردند که بیشتر اتم‌های هر کیوبیت سیم اطلاعات مرتبط با آنها را ندارند. Pichler توضیح می دهد: "شما برای تصحیح خطاهای این نوع اتم بیکار نیازی به تصحیح خطای کوانتومی کامل ندارید."

Pichler و Cesa پیشنهاد می‌کنند که این پروتکل می‌تواند برای سایر پلتفرم‌های محاسباتی کوانتومی مانند پلتفرم‌های مبتنی بر مدارهای ابررسانا نیز مفید باشد.

پروتکل در یک توضیح داده شده است مقاله که در ظاهر خواهد شد Physical Review Letters به و در یک پیش چاپ در دسترس است مانند: arXiv.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/quantum-computing-protocol-avoids-targeting-individual-atoms-in-an-array/