أسرع بوابة 2 Qubit في العالم: اختراق لتحقيق أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة السرعة
- نجح فريق بحثي في تنفيذ أسرع بوابة ثنائية كيوبت في العالم (عنصر حسابي أساسي ضروري للحوسبة الكمومية) باستخدام طريقة جديدة تمامًا للتلاعب، باستخدام ليزر فائق السرعة، ذرات متباعدة ميكرومتر مبردة إلى درجة حرارة الصفر المطلق.
- على مدى العقدين الماضيين، كانت جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية تسعى وراء بوابات أسرع للهروب من تأثيرات الضوضاء الخارجية التي يمكن أن تقلل من الدقة الحسابية.
- تجذب أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على الذرة الباردة الانتباه بسرعة من الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومة في جميع أنحاء العالم باعتبارها أجهزة ثورية تتخطى بعض القيود المفروضة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل والمحتجزات، والتي تعد حاليًا أكثر أنواع أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقدمًا.
تستخدم مجموعة بحثية ذرات مبردة إلى الصفر المطلق تقريبًا [1] ومحاصرة في ملاقط بصرية [2] مفصولة بميكرون أو نحو ذلك (انظر الشكل 1). من خلال التلاعب بالذرات بضوء ليزر خاص تم تسليطه لمدة 10 بيكو ثانية (بيكو = واحد تريليون من الثانية)، نجحوا في تنفيذ أسرع بوابة ثنائية كيوبت في العالم، [3] انظر الأشكال 1-3، وهي عملية أساسية ضرورية للكم الحوسبة [4]، والتي تعمل في 6.5 نانو ثانية فقط (النانو = واحد من المليار من الثانية). هذا الكمبيوتر الكمي فائق السرعة، [4] الذي يستخدم ليزر فائق السرعة لمعالجة الذرات الباردة المحاصرة بملاقط بصرية [2]، من المتوقع أن يكون جهاز كمبيوتر كمي جديد تمامًا يخترق قيود أنواع التوصيل الفائق وأنواع الأيونات المحاصرة قيد التطوير حاليًا.
سيتم نشر النتائج اليوم (8 أغسطس 2022) في النسخة الإلكترونية من المجلة العلمية البريطانية Nature Photonics . يقود فريق البحث طالبة الدراسات العليا Yeelai Chew ، والأستاذ المساعد Sylvain de Léséleuc والبروفيسور Kenji Ohmori في معهد العلوم الجزيئية، المعاهد الوطنية للعلوم الطبيعية.
الشكل 2. رسم تخطيطي لقمة الكم باستخدام ذرات الروبيديوم. الائتمان: د.تكافومي توميتا (IMS)
1. خلفية البحث
1 – 1. الحواسيب الكمومية ذات الذرة الباردة:
تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية الباردة على تقنيات التبريد والحبس بالليزر التي احتفلت بها جوائز نوبل لعام 1997 (S. Chu و C. Cohen-Tannoudji وWD Philipps ، تبريد وحبس الذرات بضوء الليزر) و2018 (A. ملاقط بصرية). تسمح هذه التقنيات، جنبًا إلى جنب مع الاختراقات الأكثر حداثة في عام 2016، للعلماء بترتيب مصفوفات من الذرات الباردة في أشكال عشوائية باستخدام ملاقط بصرية [2] ومراقبة كل واحدة على حدة.
نظرًا لأن الذرات أنظمة كمومية طبيعية، يمكنها بسهولة تخزين أجزاء كمية من المعلومات. هذه هي اللبنات الأساسية “كيوبت” للحاسوب الكمومي (انظر الشكل 2). بالإضافة إلى ذلك، يتم عزل هذه الذرات جيدًا عن البيئة المحيطة ومستقلة عن بعضها البعض، ويمكن أن يصل وقت التماسك (الوقت الذي يستمر فيه التراكب الكمي [5] ) للكيوبت إلى عدة ثوانٍ. بوابة ثنائية الكيوبت [3] (عنصر حسابي أساسي أساسي للحوسبة الكمومية) يتم إجراؤها عن طريق إثارة إلكترون واحد من الذرة في مدار إلكتروني عملاق يسمى Rydberg مدار. [6]
مع هذه التقنيات، برزت منصة الذرة الباردة كواحدة من أكثر المرشحين الواعدين لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. على وجه الخصوص، لديها إمكانات ثورية من حيث أنه يمكن توسيع نطاقها بسهولة إلى نطاق أكبر مع الحفاظ على التماسك العالي مقارنة بأنواع التوصيل الفائق والأيونات المحاصرة التي يتم تطويرها حاليًا، وتجذب الانتباه من الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومة حولها. العالم كالجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
الشكل 3. تشغيل البوابة الكمومية. (علوي) عندما تكون الذرة 1 في حالة “0”، لا يحدث شيء. عندما تكون الذرة 1 في الحالة “1”، تتغير علامة تراكب الذرة 2 من موجبة إلى سلبية. تقع هذه العملية في قلب الخوارزمية الكمومية التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الائتمان: د.تكافومي توميتا (IMS)
1 – 2. بوابات الكم:
البوابات الكمومية هي العناصر الحسابية الأساسية التي تشكل الحوسبة الكمومية. تتوافق مع البوابات المنطقية مثل AND وOR في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التقليدية. هناك بوابات ذات كيوبت واحد تتعامل مع حالة بوابات كيوبت واحدة وبوابتان كيوبت تولد تشابكًا كميًا بين اثنين كيوبت. البوابة ذات الكيوبت هي مصدر الأداء عالي السرعة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية وهي تمثل تحديًا تقنيًا. البوابة التي تم تنفيذها بنجاح هذه المرة هي واحدة من أهم بوابات ثنائية كيوبت تسمى “بوابة Z المتحكم بها (بوابة تشيكوسلوفاكيا)”، وهي عملية تقلب التراكب الكمي للكيوبت الأول من 0 + 1 إلى 0-1 اعتمادًا على الحالة (0 أو 1) للكيوبت الثاني (انظر الشكل 3). تتدهور دقة (دقة) البوابة الكمومية بسهولة بسبب الضوضاء الصادرة عن البيئة الخارجية والليزر التشغيلي، مما يجعل تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية أمرًا صعبًا. نظرًا لأن النطاق الزمني للضوضاء يكون عمومًا أبطأ من واحد ميكروثانية (الجزئي = واحد في المليون من الثانية)، إذا أمكن تحقيق بوابة كمومية أسرع من ذلك، فسيكون من الممكن تجنب تدهور دقة الحساب بسبب الضوضاء، وسنكون أقرب بكثير إلى تحقيق جهاز كمبيوتر كمي عملي. لذلك، على مدار العشرين عامًا الماضية، كانت جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية تسعى وراء بوابات أسرع. البوابة فائقة السرعة البالغة 6.5 نانوثانية (النانو = واحد من المليار من الثانية) التي تم تحقيقها هذه المرة باستخدام أجهزة الذرة الباردة هي أسرع من الضجيج بأكثر من ضعفين، وبالتالي يمكنها تجاهل تأثيرات الضوضاء. بالمناسبة، كان الرقم القياسي العالمي السابق 15 نانوثانية ، الذي حققته Google AI في عام 2020 مع دوائر فائقة التوصيل.
2. نتائج البحث
2 – 1. ملخص النتائج:
استخدمت مجموعة البحث ملاقطًا ضوئية لاحتجاز ذرتين مبردتين إلى الصفر المطلق تقريبًا ويفصل بينهما ميكرومتر فقط. بعد ذلك، قاموا بمعالجة الذرات بشعاع ليزر خاص يتوهج لمدة 10 بيكو ثانية فقط (بيكو = واحد تريليون من الثانية) ونجحوا في تنفيذ أسرع بوابة 2 كيوبت في العالم [3] (العنصر الحسابي الأساسي الضروري للحوسبة الكمومية)، والذي يعمل في 6.5 نانوثانية فقط (النانو = واحد من المليار من الثانية). على مدار العشرين عامًا الماضية، سعت جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى بوابات أسرع للهروب من تأثيرات الضوضاء الخارجية، مما يقلل من دقة الحسابات. أسرع بوابة 2 كيوبت في العالم تم تحقيقها هذه المرة أسرع بأكثر من ضعفين من حيث الحجم من الضوضاء، مما يجعل من الممكن تجاهل تأثيرات الضوضاء. من المتوقع أن يكون هذا الكمبيوتر الكمي فائق السرعة، الذي يستخدم ليزرًا فائق السرعة لمعالجة البلورات الاصطناعية للذرات المبردة المصطفة مع ملاقط بصرية، جهاز كمبيوتر كمي جديد تمامًا يخترق قيود أنواع الأيونات فائقة التوصيل والمحاصرة قيد التطوير حاليًا.
2 – 2. الطريقة التجريبية (الشكل 1-3):
أجريت التجربة باستخدام ذرات الروبيديوم. [7] أولاً، ذرتان من الروبيديوم في الطور الغازي، والتي تم تبريدها إلى درجة حرارة منخفضة جدًا تبلغ حوالي 1/100000 من كلفن [1] باستخدام أشعة الليزر، [8] تم ترتيبها بفاصل ميكرون باستخدام ملاقط بصرية. [2] ثم قاموا بإشعاعهم بنبضات ليزر فائقة القصر تنبعث منها الضوء لمدة 1/100 من المليار من الثانية فقط، ولاحظوا نوع التغييرات التي حدثت. تم اصطدام إلكترونين محاصرين على التوالي في أصغر مدارات (5S) لذرتين متجاورتين (ذرة 1 وذرة 2) في مدارات إلكترونية عملاقة (مدارات Rydberg ، هنا 43D). [6] أدى التفاعل بين هذه الذرات العملاقة بعد ذلك إلى تبادل دوري، ذهابًا وإيابًا، للشكل المداري وطاقة الإلكترون خلال فترة 6.5 نانوثانية. بعد ذبذبة واحدة واحدة،قوانين فيزياء الكم أن إشارة الدالة الموجية مقلوبةمقلوبة،الي تحقق البوابة ثنائية الكيوبت (بوابة Z المحكومة). باستخدام هذه الظاهرةالظاهرة، عملية بوابة كمومية باستخدام كيوبت (الشكل 2) حيث تكون الحالة الإلكترونية 5P هي الحالة “0” والحالة الإلكترونية 43D هي الحالة “1”. تم تحضير الذرات 1 و2 على هو2كيوبتات 1 و2، على التوالي ،التوالي،ز تبادل الطاقة باستخدام نبضة ليزر فائقة القصر. خلال دورة واحدة لتبادل الطاقة (= 6.5 نانوثانية ؛ نانو = واحد من المليار من الثانية)، تم عك)، لامة حالة التراكب للكيوبت 2 فقط عندما كان الكيوبت 1 في الحالة “1” (الشكل 3).
3. التطور المستقبلي والأهمية الاجتماعية لهذا البحث
على مدار العشرين عامًا الماضية، سعت جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى بوابات أسرع للهروب من تأثيرات الضوضاء الخارجية، مما يقلل من دقة الحسابات. إن البوابات الكمومية فائقة السرعة البالغة 6.5 نانوثانية (النانو = واحد من المليار من الثانية) التي تم تحقيقها هذه المرة باستخدام أجهزة الذرة الباردة هي أسرع بأكثر من ضعفين من حيث الحجم من الضوضاء وبالتالي يمكنها تجاهل تأثيرات الضوضاء. يتمتع الكمبيوتر الكمي ذي الذرة الباردة بإمكانيات ثورية من حيث أنه يمكن توسيع نطاقه بسهولة إلى نطاق أكبر مع الحفاظ على تماسك عالٍ مقارنةً بأجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل والأيونات التي يتم تطويرها حاليًا، وهي تجذب الانتباه من الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومة في جميع أنحاء العالم باعتبارها الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تحقيق أسرع بوابة فائق السرعة في العالم،
4. المصطلحات1. الصفر المطلقتسمى درجة الحرارة التي توقفت عندها حركة الذرات والجزيئات الصفر المطلق. الوحدة هي كلفن. يسمى صفر كلفن الصفر المطلق. درجة الحرارة المطلقة 0 كلفن هي -273.15 درجة مئوية، و 0 درجة مئوية هي درجة حرارة مطلقة +273.15 كلفن.2. ملاقط بصريةاخترع أ. أشكين الملاقط البصرية في السبعينيات. يتكون من شعاع ليزر مركَّز بإحكام بحجم أقل من ميكرومتر. تنجذب الذرات إلى التركيز اللامع وتحتجز هناك.3. بوابة اثنين كيوبتالبوابة ثنائية الكيوبت هي مصدر الأداء العالي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. إنها عملية منطقية على الحالة الكمومية لاثنين من البنات الكمومية. بوابة اثنين كيوبت تم تحقيقها في هذا العمل، “بوابة Z المتحكم فيها”، هي عملية تغير التراكب الكمي [5] للكيوبت الأول من “0 زائد 1” إلى “0 ناقص 1” عندما يكون الكيوبت الثاني في الحالة 1 (ولكن ليس إذا كانت في الحالة 0). هذا “قلب الإشارة” للتراكب الكمومي هو عملية أساسية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.4. الحاسوب الكميكمبيوتر يطبق خصائص التراكب الكمومي [5] على معالجة المعلومات. يقوم بمعالجة المعلومات على مجموعة من الأنظمة الكمومية، مثل الذرات، عن طريق التلاعب بحالتها (تراكب 0 و1 المنطقي) وتنفيذ عمليات منطقية بين جسيمات متعددة. باستخدام خاصية التراكب في الأنظمة الكمومية، من المتوقع أن الحسابات التي تستغرق وقتًا طويلاً من الكمبيوتر العادي يمكن إجراؤها بشكل أسرع.5. التراكب الكميفي الكمبيوتر الكلاسيكي، يكون البت (وحدة المعلومات) إما في الحالة 0 أو في الحالة 1. يختلف الوضع كثيرًا في الكمبيوتر الكمومي حيث يمكن أن يكون الكائن الكمي، مثل الذرة، في حالة تراكب من حالتين: تكون الذرة في نفس الوقت “في الحالة 0 وفي الحالة 1”. علاوة على ذلك، هناك طرق عديدة لتراكب حالتين. عند التفكير في الحالة الكمومية كموجة، يصبح من الواضح أنه يمكن تراكب موجتين مع محاذاة قمتهما (“الحالة 0 زائد الحالة 1”) أو مع قمة الموجة 1 المحاذاة مع قاع الموجة 2 (“الحالة 0 ناقص الدولة 1 “). انظر الشكل 3.6. مدارات ريدبيرجمدار إلكترون بعيد عن النواة الذرية. في التجربة، تم استخدام المدار 43. هذا المدار أكبر بنحو 100 مرة من المدار الخامس. تسمى الإلكترونات التي تتحرك في مدارات Rydberg إلكترونات Rydberg ، وتسمى الذرات التي تحتوي على إلكترونات Rydberg ذرات Rydberg.7. ذرة الروبيديومذرة فلز قلوي برقم ذري 37. لها إلكترون واحد في المدار الخامس (5 ثوان) حول النواة.8. التبريد بالليزرالتبريد بالليزر هو تقنية تستخدم ضوء الليزر لإزالة الطاقة من الذرات وبالتالي تقليل درجة حرارتها. عندما تمتص ذرة ضوء الليزر، فإنها تتلقى زخم فوتون الليزر وتتعرض لقوة في اتجاه ضوء الليزر. إذا كانت الذرات تتحرك عكس اتجاه شعاع الليزر، فإن القوة تبطئها تدريجيًا وتقلل من طاقة الذرات. هذا يجعل من الممكن تبريد الذرة إلى حوالي 1/100000 من كلفن. [1]
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
افضل 11 قالب متجر إلكتروني ووردبريس
