پژوهشگران تایوانی ادعا می‌کنند که کوچکترین رایانه کوانتومی تک فوتونی جهان را ساخته‌اند.

گروهی از دانشگاه ملی چینهوا(Tsing Hua) در یک کنفرانس مطبوعاتی اظهار کردند که کوچکترین رایانه کوانتومی جهان را که به اندازه یک جعبه کفش است، ساخته‌اند.

این گروه توانست بر مانع ها مهمی در گسترش محاسبات کوانتومی همانند نیاز به شرایط دمای پایین و تقاضای انرژی بالا تسلط کند.

یک فوتون منفرد با ابعاد بالا، ذره‌ای بنیادی است که در برهمکنش‌های الکترومغناطیسی دخیل است و دارای یک بسته موج است که حاوی «۳۲ بُعد» اطلاعاتی است که می‌تواند توسط این رایانه کوانتومی بسیار کوچک رمزگذاری شود.

یک نوآوری فشرده

از دست دادن اطلاعات و خطاهای محاسباتی ناشی از ارتعاشات یا میدان‌های مغناطیسی از مشکلات رایج در محاسبات کوانتومی می باشند.

با این حال، فوتون‌ها به علت گستره انتقال گسترده و افت حساسیت به تداخل، مزیت عمده‌ای در گسترش رایانه‌های کوانتومی تجاری دارند.

برخلاف رایانه‌های معمولی که از بردهای مداری برای انجام محاسبات منفعت گیری می‌کنند، محاسبات کوانتومی از فوتونیک برای انتقال داده و از فیزیک کوانتومی برای پردازش آن منفعت گیری می‌کنند.

یک بیت که فقط می‌تواند ۰ یا ۱ را نشان دهد، کوچکترین واحد اطلاعات در یک رایانه معمولی است. از نظر دیگر، برهم‌نهی کوانتومی به بیت کوانتومی یا کیوبیت اجازه می‌دهد تا همزمان به طور ۰ و ۱ وجود داشته باشد.

رایانه‌های کوانتومی به علت این ویژگی می‌توانند عملیات‌های پیچیده از جمله جستجوی داده‌های بزرگ را تا ۱۰۰ میلیون بار سریع تر از رایانه‌های سنتی انجام بدهند.

در سال ۲۰۲۱ در گامی مؤثر به سمت فناوری کوانتومی قابل دسترسی و مقیاس‌پذیر، محققان دانشگاه اینسبروک(Innsbruck) یک پردازنده کوانتومی فشرده را گسترش دادند که در دو ردیف سرور استاندارد قرار داشت که هر کدام ۱.۷ متر مکعب اندازه داشتند.

این دستگاه با کارکرد مدل‌های آزمایشگاهی بزرگتر مطابقت دارد و می‌تواند تا ۵۰ کیوبیت را حمایتکند که توسط افراد غیر متخصص نیز قابل اجراست.

این دستگاه از کیوبیت‌های نوری مبتنی بر یون کلسیم منفعت گیری می‌کند که در آن درهم‌تنیدگی توسط پالس‌های لیزری تشکیل می‌شود که حالت یون‌ها را تحول می‌دهد.

تله‌های میدان الکتریکی ماکروسکوپی که تا ۵۰ یون را تنظیم می‌کنند، پردازنده را به کار می‌گیرند. معماری ماژولار آن شامل قطعاتی برای ربط از راه دور، به دام انداختن یون و کنترل لیزری است که همه انها در جعبه‌های آلومینیومی داخل قفسه‌ها نگهداری خواهد شد.

محاسبات مبتنی بر فوتون

فوتونیک با دقت به دوام و مقیاس‌پذیری به گفتن یک پلتفرم برای استقرار فناوری‌های کوانتومی، نویدبخش نشان داده است.

در این مطالعه تازه، محققان الگوریتم شور(Shor) را با منفعت گیری از یک فوتون با رمزگذاری و دستکاری ۳۲ حالت زمان‌بندی در بسته موج آن با پیروزی پیاده‌سازی کردند. این دستاورد قابلیت‌های قوی پردازش اطلاعات یک فوتون منفرد را در ابعاد بالا برجسته می‌کند.

به حرف های این تیم، با تعدیل‌کننده‌های الکترواپتیک تجاری حاضر که قادر به اراعه پهنای باند ۴۰ گیگاهرتزی می باشند، می‌توان بیشتر از ۵۰۰۰ حالت زمان‌بندی را روی فوتون‌های منفرد طویل رمزگذاری کرد.

در حالی که مدیریت حالت‌های با ابعاد بالا می‌تواند چالش‌برانگیزتر از کار با کیوبیت‌ها باشد، این کار مشخص می کند که می‌توان این حالت‌ها را با منفعت گیری از یک حلقه فیبر قابل برنامه‌ریزی فشرده آماده و به طور مؤثر دستکاری کرد.

علاوه بر این، دروازه‌های کوانتومی با ابعاد بالا می‌توانند با منفعت گیری از فوتون‌های متعدد برای مقیاس‌پذیری، مقدار دستکاری را افزایش دهند.

تحقیقات مشخص می کند که حالت‌های با ابعاد بالا در برابر نویز در کانال‌های کوانتومی مقاوم‌تر می باشند و حالت‌های کدگذاری شده با زمان، فوتون‌های منفرد طویل را برای محاسبات کوانتومی با ابعاد بالا در آینده امیدوارکننده می‌کنند.

فوتون‌ها این چنین مزایای قابل توجهی را برای کاربردهای تجاری با امکان انتقال اطلاعات از راه دور با تداخل اندک فراهم می‌کنند.

این تیم در یک کنفرانس مطبوعاتی پافشاری کرد که این ابزار کوانتومی کوچک مبتنی بر فوتون، برخلاف تعداد بسیاری از رایانه‌های کوانتومی در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی پیشرو بدون نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده عظیم عمل می‌کند.

به حرف های آنان، این کشف نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در حوزه فناوری‌های کوانتومی است.

کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی فوتونیک در تعدادی از حوزه‌های آینده همانند امنیت داده‌ها، هوش مصنوعی و تحقیقات پزشکی ذکر شده است.

این تیم ادعا می‌کند که با منفعت گیری از خواص منحصر به فرد فوتون‌ها، این شکل از محاسبات کوانتومی می‌تواند راه‌حل‌های سریع تر و کارآمدتری برای مسائل پیچیده اراعه دهد و آن را به گفتن ابزاری قوی در پیشبرد عرصه‌های گوناگون علم و فناوری قرار دهد.

جزئیات تحقیقات این تیم در مجله Physical Review Applied انتشار شده است.