پژوهشگرانی از موسسه مشترک کوانتومی در ایالات متحده کامپیوتر کوانتومی یون به دام افتاده پنج کیوبیتی را که قابل برنامه‌ریزی و قابل پیکربندی مجدد است، به نمایش گذاشتند. ساختار محاسباتی این گروه به گونه‌ای است که پژوهش‌گران می‌توانند چند الگوریتم را در پردازش‌گر یون-به‌-دام‌-افتاده‌شان برنامه‌نویسی و اجرا کنند که برای بار اول اتفاق افتاده است. گرچه این کامپیوتر با پنج کیوبیت نسبتاً کوچک است و الگوریتم پردازش آن‌ها خیلی ساده است، پژوهش‌گران می‌گویند روش‌های زیادی برای بزرگ‌تر کردن ابعاد این ساختار و رسیدن به رایانه کوانتومی وظیفه‌مند در آینده وجود دارد.

پنج یون در یک خط: دام یون ساخته‌شده توسط این گروه

وجه تمایز کامپیوتر کوانتومی توانایی آن در حل مسائل محاسباتی خاص است مانند تجزیه اعداد بزرگ یا شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی پیچیده و هم‌چنین برهم‌کنش‌های میان تعداد زیادی از ذرات بنیادی، که سرعت و کارایی این پردازش‌ها در این کامپیوتر‌ها نسبت به کامپیوتر‌های کلاسیک کنونی به صورت نمایی بیشتر است. روش‌ها و فن‌آوری‌های کوانتومی زیادی وجود دارد که گروه‌های مختلفی در سرتاسر جهان به سوی ساخت اولین کامپیوتر کوانتومی واقعی پیش می‌روند.

دام پنج-یونی

گروه Chris Monroe از موسسه مشترک کوانتومی و مرکز مشترک اطلاعات کوانتومی و علوم کامپیوتر، در دانشگاه مری‌لند ایالات متحده، از یون‌های به دام‌افتاده به عنوان کیوبیت‌ها استفاده کردند. در این روش، اطلاعات در حالت‌های اتمی-یونی ذخیره می‌شود. تعدادی از این یون‌ها در میدان‌های الکترومغناطیسی محبوس شده یا «به دام می‌افتند»، سپس ذرات را نیز می‌توان با اعمال باریکه‌های لیزر مناسب با آن‌ها درهم‌تنید. در نهایت نور لیزر تنظیم‌شده هر یون را به شکل خاصی دست‌خوش تغییر می‌کند، که به حالت آن بستگی دارد. Monroe می‌گوید: «در این روش، حرکت جمعی زنجیره‌ای از یون‌ها همانند گذرگاه داده‌ها عمل می‌کند که موجب می‌شود کیوبیت‌ها بتوانند با یکدیگر حرف بزنند».

در این سیستم، این عملیات‌ها به سان درگاه‌های (گیت‌های) منطقی کوانتومی هستند و پژوهش‌گران به کمک یون‌ها می‌توانند گیت‌ها را میان هر زوج یون در این زنجیره مدیریت کنند. Monroe بیشتر توضیح داد که در این مورد سیم‌کشی موثر کامپیوتر کوانتومی از خارج اجرا می‌شود. وی افزود این یکی از ویژگی‌های منحصر به‌فرد کیوبیت‌های یونی است، زیرا «آن‌ها به شکل سیم‌کشی سخت‌افزاری نیستند و از این جهت اتصالات آن‌ها را می‌توان از خارج پیکربندی مجدد و برنامه‌ریزی کرد».

با آن‌که پیش از این کامپیوترهای کوانتومی دام-یون کوچک ساخته شده بود، اما هر یک از آن‌ها وسیله‌ای تک-منظوره بود که تنها قادر به اجرای یک الگوریتم خاص یا ایجاد حالت درهم‌تنیده معینی بود. هم‌اکنون Monroe به همراه Shantanu Debnath و هم‌کارانش نشان دادند که این دستگاه را می‌توان با چندین الگوریتم برنامه‌ریزی و اجرا کرد.

پردازش‌گر این تیم از پنج یون ایتربیم ساخته شده که در دام خطی با فرکانس رادیویی محبوس ‌شده‌اند. این دام با لیزر به‌گونه‌ای خنک می‌شود که خطی را تشکیل دهند که با فاصله حدود 5 میکرومتر جدا می‌شود. تمام یون‌ها در ابتدا در حالت استاندارد آماده می‌شوند و با اعمال یک سری پالس‌های لیزری 50 تا 100 تایی بر یون‌های منفرد یا جفت‌هایی از یون‌ها در طول زنجیره، الگوریتم معینی پیاده می‌شود. Monroe به physicsworld.com گفت «این فرایند دارای چندین مرحله نرم‌افزاری است: در گام اول الگوریتم را از روی عملیات‌های «کتاب اصلی» تألیف کرده و به صورت عملیات‌هایی درمی‌آوریم که مورد قبول سیستم ما است».

عملیات‌های اولیه

«پس از آن، این عملیات‌های مورد قبول سیستم، بسته به مکان یون‌های خاص در زنجیره، به شکل پالس‌های لیزر از پیش-محاسبه‌شده تفکیک می‌شوند. او اضافه کرد: «هر یک از این عملیات‌های اولیه دقت 99 درصدی یا بالاتر دارد و در حقیقت زمانی که 50 الی 100 تا از این عملیات‌ها را به هم پیوند دادیم، دقت خالص الگوریتم، بسته به جزئیات، در محدوده 70-90 درصدی قرار می‌گیرد. این گروه توانست این گیت‌ها را با صحت بیش از 98 درصد پیاده‌سازی کند.

نمایی متفاوت: دام ساخته‌شده پنچ یون را به خط می‌کند

پژوهش‌گران چند الگوریتم کوانتومی را اجرا کردند تا ببینند وقتی پنج کیوبیت آن‌ها قطاری پشت سرهم عمل کنند، این سیستم چگونه رفتار می‌کند. آن‌ها دو الگوریتم کوانتومی ساده، یعنی داچ-جوزسا (Deutsch-Jozsa) و برنستین-وزیرانی (Bernstein-Vazirani) را اجرا کردند که توابع ریاضی را در گام واحدی اجرا می‌کرد. اگرچه این توابع را می‌توان به سادگی با استفاده از کامپیوترهای معمولی انجام داد، اما در آن‌جا نیاز به چندین عملیات است. علاوه بر این، آن‌ها تبدیل فوریه کوانتومی (QFT) را اجرا کردند، که گام مهمی در الگوریتم‌های پیچیده‌تر دیگر است. Monroe می‌گوید: «QFT میان تمامی جفت‌های ممکن از کیوبیت‌ها، گیت‌های دوکیوبیتی قرار می‌دهد». Debnath می‌گوید «این عمل پروتکل بسیار مفیدی در تجزیه Shor و بسیاری از مسئله‌های تخمین-فاز دیگر است» و چنین ادامه داد که این الگوریتم‌ها «انعطاف پردازش‌گر را به عنوان وسیله‌ای قابل برنامه‌ریزی به نمایش گذاشتند».

تمامیت اتمی

طبق صحبت‌های Monroe کیوبیت‌های یون به-دام‌افتاده در مقایسه با همتای حالت جامدی‌شان انعطاف بیشتری دارند، آن‌ها را می‌توان با اختلاف ناچیزی با کیوبیتهای دیگر دوباره و در ابعاد بزرگ‌تر ساخت و با استفاده از لیزر از خارج بازپیکربندی کرد. هم‌چنین می‌توان حالت‌های کوانتومی‌شان را با دقت نزدیک 100 درصد مقدار اولیه داد و قرائت کرد. با این حال، قسمت پایینی آن‌ها به گونه‌ای است که عملیات کوانتومی را نسبتاً آرام اجرا می‌کند (زمان‌های گیت از مرتبه میکروثانیه یا بیشتر است). Debnath می‌گوید «همانند بیشتر سامانه‌های کوانتومی، این سامانه نیز با مشکلی متداول روبه‌رو است و آن حصول اطمینان از آن است که اگر سامانه را با افزایش کیوبیت‌ها بزرگ‌تر کنیم، همچنان ‹کوانتومی› باقی می‌ماند یا خیر.

طبق صحبت‌های Monroe، آن‌چه بیشتر مشکل‌ساز این واقعیت است که مهندسی عملی کیوبیت‌های یون به-دام‌افتاده در پشت زیرساخت‌های سیلیکونی و حالت جامدی به تعویق می‌افتد، زیرا شرکت‌های صنعتی بسیار اندکی هستند که این تجهیزات یونی را می‌سازند. وی ادامه داد: «آزمایشگاه‌های ملی Sandia یکی از معدود مکان‌هایی است که تراشه‌های یک‌پارچه با الکترودهایی در ابعاد میکرو تولید می‌کند تا بارگذاری و به‌-دام‌اندازی یون‌های اتمی به طور قابل اعتمادی انجام شود و آینده این فن‌آوری به Sandia و مراکز دیگر نظیر شرکت Honeywell بستگی دارد که بتوانند انواع دیگری از این تراشه‌ها را تولید کنند».

وی افزود که موضوعی به کمک گروه مری‌لند آمده و آن این است که آن‌ها از نمونه‌های اتمی خاصی از ایتربیم (171Yb+) استفاده می‌کنند که در ساعت‌های اتمی نیز به کار می‌رود و لیزر کنترلی مورد استفاده آن‌ها به صورت صنعتی ساخته شده و به طور قابل اطمینانی مهندسی می‌شود. «موضوع دام-یون فقط در دانشگاه و آزمایشگاه‌های پژوهشی فدرال مطرح است که به جای متخصصان مهندسی سیستم، دانشجویان و دانش‌آموختگان پسادکترا در این زمینه کار می‌کنند. سال‌ها طول می‌کشد تا زیرساخت‌هایی فراهم شود تا در آن‌ها ادواتی قابل‌اعتماد و قابل تکرار ساخته شود». با وجود این معضلات Monroe، Debnath و تیم‌شان متقاعد شده‌اند که محاسبات به روش دام-یون قابل بازسازی در ابعاد بالاتر است، و این کار هم با افزایش تعداد کیوبیت‌ها و هم با زیاد کردن پیوندهای میان کیوبیت‌ها با استفاده از فوتون‌ها، و تا رسیدن به کامپیوتر کوانتومی تکامل‌یافته قابل انجام است.

این پژوهش در Nature به چاپ رسیده است.

نویسنده: Tushna Commissariat گزارش‌گر physicsworld.com است.

منبع: Ion-trap quantum computer is programmable and reconfigurable

مرجع: Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits