انقلاب جدید در رایانش کوانتومی با استفاده از فیبر نوری

به گزارش سیلاد و به نقل از سای‌تک‌دیلی، یافته‌های آن‌ها که اخیراً در مجله Nature Physics منتشر شده، می‌تواند راه را برای توسعه سامانه‌های رایانش کوانتومی کارآمدتر و مقیاس‌پذیرتر هموار کند.
 
باوجود نوسانات بازار و تردیدهای صنعت، رقابت برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر همچنان شدت دارد. این ماشین‌ها می‌توانند در برخی محاسبات از رایانه‌های کلاسیک پیشی بگیرند، اما چالش‌های فنی بسیاری باید برطرف شوند تا این فناوری به مرحله عملی برسد.
 
اکنون تیمی از فیزیکدانان گروه پروفسور یوهانس فینک در ISTA گامی اساسی در جهت عملی‌تر شدن رایانش کوانتومی برداشته‌اند. آن‌ها روشی را توسعه داده‌اند که کیوبیت‌ها می‌توانند با استفاده از فیبر نوری ارتباط برقرار کنند، که نیاز به سخت‌افزار حجیم کرایوژنیک را به‌شدت کاهش می‌دهد.

گئورگ آرنولد، یکی از نویسندگان اصلی مقاله، می‌گوید: «این رویکرد جدید ممکن است امکان افزایش تعداد کیوبیت‌ها را فراهم کند تا رایانه‌های کوانتومی واقعاً به کار گرفته شوند.» همچنین این روش پایه‌ای برای ایجاد شبکه‌ای از رایانه‌های کوانتومی ابررسانا که با فیبر نوری در دمای اتاق متصل می‌شوند، فراهم می‌کند.
 
گفتنی است با اینکه فیبر نوری صنعت مخابرات را متحول کرده و ارتباطات پرسرعت را امکان‌پذیر ساخته، اما استفاده از آن در سخت‌افزار کوانتومی کار ساده‌ای نیست.
 
برای کارکرد کیوبیت‌های ابررسانا، مدارهای الکتریکی کوچک باید به دماهای بسیار پایین، تنها چند هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق، برسند تا مقاومت الکتریکی آن‌ها به صفر کاهش یابد و جریان الکتریکی به‌طور نامحدود حفظ شود.

آرنولد می‌گوید: «از آنجایی که کیوبیت‌های ابررسانا ذاتاً الکتریکی هستند، برای ساخت آن‌ها باید به دماهایی برسیم که حتی از فضای بیرونی هم سردتر است.»
 
برای دستیابی به خوانش کاملاً نوری در سخت‌افزار کوانتومی، تیم تحقیقاتی باید راهی برای تبدیل سیگنال نوری به زبان قابل‌فهم برای کیوبیت‌ها پیدا می‌کردند.
 
توماس ورنر، از اعضای تیم تحقیقاتی، توضیح می‌دهد: «در حالت ایده‌آل، ما دوست داریم همه سیگنال‌های الکتریکی را حذف کنیم، زیرا سیم‌کشی‌های لازم برای ارسال این سیگنال‌ها مقدار زیادی گرما را به محفظه‌های خنک‌کننده منتقل می‌کنند. اما این کار امکان‌پذیر نیست.»
 
به همین دلیل، محققان از یک مبدل الکترواپتیکی برای تبدیل سیگنال نوری به فرکانس مایکروویو (سیگنال الکتریکی قابل‌فهم برای کیوبیت‌ها) استفاده کردند. سپس، کیوبیت‌ها سیگنال مایکروویو را بازتاب می‌کنند و این سیگنال مجدداً توسط مبدل به سیگنال نوری تبدیل می‌شود.

ورنر می‌افزاید: «ما نشان دادیم که می‌توان نور مادون‌قرمز را به کیوبیت‌ها نزدیک کرد بدون اینکه آن‌ها خاصیت ابررسانایی خود را از دست بدهند.»
 
برای انجام رایانش مفید با رایانه‌های کوانتومی، به هزاران یا حتی میلیون‌ها کیوبیت نیاز است. اما زیرساخت‌های کنونی قادر به پشتیبانی از چنین مقیاسی نیستند، زیرا نیازهای سرمایشی برای تشخیص و اندازه‌گیری کیوبیت‌ها بسیار پرهزینه است.

آرنولد می‌گوید: «فناوری ما می‌تواند بار حرارتی خوانش کیوبیت‌های ابررسانا را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد و امکان افزایش تعداد کیوبیت‌های قابل استفاده را فراهم کند».
 
گفته می‌شود این روش همچنین بسیاری از اجزای الکتریکی دست‌وپاگیر را حذف کرده و باعث افزایش کارایی و کاهش هزینه‌های سیستم شده است. ورنر توضیح می‌دهد: «با استفاده از مبدل الکترواپتیکی برای قطع ارتباط کیوبیت‌ها از زیرساخت الکتریکی، توانستیم تمام بخش‌های باقی‌مانده را با اجزای نوری جایگزین کنیم».
 
این فناوری می‌تواند تعداد کیوبیت‌های قابل‌استفاده را بیشتر کند و همچنین امکان اتصال چندین رایانه کوانتومی از طریق نور را فراهم سازد.

در حال حاضر، رایانه‌های کوانتومی به یخچال‌های رقیق‌ساز برای خنک‌سازی کل مجموعه اندازه‌گیری نیاز دارند. اما این یخچال‌ها محدودیت‌های فیزیکی دارند و نمی‌توان آن‌ها را بی‌نهایت بزرگ کرد.