چین یک «بلوک کوانتومی شکست‌ناپذیر» ساخت

ایسنا/ رایانه‌های کوانتومی وعده حل مسائلی را می‌دهند که برای ماشین‌های امروزی غیرقابل حل هستند، اما واحدهای پایه آن‌ها یعنی کیوبیت‌ها بسیار شکننده‌اند. حتی یک آشفتگی کوچک می‌تواند کل اطلاعات ظریف کوانتومی را از بین ببرد و اکنون، گروهی به رهبری «پان جیان‌وی» در دانشگاه علم و فناوری چین گام مهمی برای غلبه بر این چالش برداشته است.

دانشمندان چینی در تازه‌ترین مقاله خود، گزارش کرده‌اند که یک بلوک کوانتومی ساخته‌اند که حتی وقتی تکان داده شود، دست‌نخورده باقی می‌ماند. این دستاورد با استفاده از یک پردازنده کوانتومی ابررسانای قدرتمند و قابل برنامه‌ریزی به نام زوچونگژی ۲ (Zuchongzhi 2) محقق شده است.

---

بازار

---

اهمیت بلوک کوانتومی شکست‌ناپذیر

به نقل از آی‌ای، برای درک اهمیت این کار، تصور کنید می‌خواهید یک حباب صابون را در حالی که از میان یک اتاق شلوغ عبور می‌کنید، سالم نگه دارید. حفظ کردن اطلاعات کوانتومی تقریبا همین‌قدر سخت است.

روش‌های سنتی اصلاح خطا کمک می‌کنند، اما پیچیده‌اند و به تعداد زیادی کیوبیت اضافی نیاز دارند. گروه پان رویکرد متفاوتی در پیش گرفت: استفاده از توپولوژی، شاخه‌ای از ریاضیات که ویژگی‌های کلی شکل‌ها را بررسی می‌کند.

در فازهای توپولوژیک ماده، برخی ویژگی‌ها به‌طور شگفت‌انگیزی مقاوم می‌شوند، زیرا به خصوصیات کلی وابسته‌اند نه به جزئیات شکننده و حساس. پژوهشگران پیش‌تر مواد توپولوژیکی را بررسی کرده بودند که حالت‌های محافظت‌شده آن‌ها در لبه‌ها ظاهر می‌شوند.

اما گروه چینی به دنبال چیزی دشوارتر بود: فازهای توپولوژیک مرتبه بالاتر، جایی که حالت‌های محافظت‌شده در نواحی کوچک‌تر، مثل گوشه‌ها، جمع می‌شوند. این «حالت‌های گوشه‌ای» کاملا شکست‌ناپذیر نیستند، اما می‌توانند در برابر آشفتگی، مقاوم‌تر از حالت‌های کوانتومی معمولی باشند.

چالش ویژه این پروژه آن بود که گروه روی نسخه‌های غیرتعادلی این فازها تمرکز کرد. سیستم‌هایی که دائما در حال تحول یا تحت نیروهای خارجی هستند، نه اینکه در یک حالت پایدار قرار بگیرند.

چنین فازهایی به‌طور طبیعی در مواد رخ نمی‌دهند و دانشمندان ابزارهای قابل اعتمادی برای آزمایش یا مشاهده آن‌ها نداشتند.

دستیابی به رفتار توپولوژیک مرتبه بالا

برای حل این مشکل، پژوهشگران بخشی از پردازنده ابررسانای زوچونگژی 2 را به کار گرفتند و یک شبکه ۶ در۶ کیوبیتی را به‌عنوان شبیه‌ساز کوانتومی قابل برنامه‌ریزی، چیدند.

از آنجا که این پردازنده مانند یک واحد پردازش مرکزی کوانتومی قابل پیکربندی است، گروه توانست تعاملات دقیقی بین کیوبیت‌ها طراحی کند که ماده‌ای مصنوعی با رفتار توپولوژیک مرتبه بالا را شبیه‌سازی کند.

سپس آن‌ها دنباله‌ای از عملیات کنترل‌شده را اعمال کردند تا فازهای توپولوژیک غیرتعادلی مورد نظرشان را تولید کنند. برای آشکارسازی این فازها، به جای بررسی ویژگی‌های ایستا، رفتار تکاملی کیوبیت‌ها را اندازه‌گیری کردند.

با ردیابی این دینامیک‌ها، آن‌ها نشانه‌های مشخص حالت‌های گوشه‌ای را شناسایی کردند و تأیید کردند که هم فازهای توپولوژیک تعادلی و هم غیرتعادلی مرتبه بالا با موفقیت شبیه‌سازی شده‌اند.

نویسندگان مطالعه می‌نویسند: در این پژوهش، ما هم فازهای توپولوژیک تعادلی و هم غیرتعادلی مرتبه بالا را با استفاده از یک پردازنده کوانتومی ابررسانای دوبعدی قابل برنامه‌ریزی، پیاده‌سازی کردیم.

به بیان ساده، گروه با استفاده از یک پردازنده کوانتومی، شکلی از ماده را ساختند و بررسی کردند که به‌طور طبیعی وجود ندارد و نشان داد که این ماده میزبان حالت‌های کوچک و محافظت‌شده توپولوژیکی در گوشه‌هاست که رفتاری متفاوت از آرایش‌های معمول کیوبیت دارند.

چشم‌اندازها و چالش‌های آینده

بلوک کوانتومی ساخته‌شده توسط پژوهشگران نخستین نمایش آزمایشی فازهای توپولوژیک غیرتعادلی مرتبه بالا روی یک پردازنده کوانتومی قابل برنامه‌ریزی است.

این نشان می‌دهد که حتی پردازنده‌های کوانتومی امروزی با نویز زیاد می‌توانند به‌عنوان سکوی چندمنظوره برای ساخت و مطالعه حالت‌های عجیب ماده استفاده شوند و ابزار قدرتمندی برای آینده علم کوانتوم فراهم کنند.

هرچند این کار هنوز یک کیوبیت کاملا مقاوم در برابر خطا ایجاد نکرده است، اما مسیر امیدوارکننده‌ای را نشان می‌دهد که در آن استفاده از توپولوژی برای طراحی حالت‌های کوانتومی که به‌طور طبیعی نسبت به برخی آشفتگی‌ها کمتر حساس‌اند، به کار می‌رود.

اگر چنین حالت‌های محافظت‌شده‌ای بتوانند در سخت‌افزار آینده مهندسی شوند، می‌توانند پایه‌ای برای حافظه یا واحدهای منطقی کوانتومی قابل اعتمادتر باشند. این امر به نوبه خود می‌تواند راه را برای رایانش کوانتومی در مقیاس بزرگ باز برای انجام وظایفی مانند شبیه‌سازی‌های پیچیده، طراحی مواد پیشرفته یا پژوهش در هوش مصنوعی باز کند.

با این حال، چالش‌های مهمی باقی مانده است. برای نمونه، حالت‌های گوشه‌ای محافظت‌شده‌ای که اینجا نشان داده شدند، در یک محیط شبیه‌سازی‌شده و کنترل‌شده وجود دارند نه در یک ماده فیزیکی واقعی. پایداری آن‌ها در برابر نویز دنیای واقعی هنوز نیازمند آزمایش دقیق است و این روش باید بسیار فراتر از یک آرایه ۶×۶ کیوبیتی گسترش یابد تا در ماشین‌های عملی کاربرد داشته باشد.

گام‌های بعدی شامل بررسی تعاملات بین کیوبیت‌ها، مطالعه فازهای توپولوژیک پیچیده‌تر و به‌کارگیری این رویکرد برای بررسی مواد کوانتومی طراحی‌شده سفارشی چه در حالت تعادلی و چه غیرتعادلی خواهد بود.

این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله