کشفی با قدمت 93 سال، در حال تغییر آینده محاسبات کوانتومی است
تغییر بازی در محاسبات کوانتومی!!! فیزیکدانان دانشگاه آلتو یک فرآیند کوانتومی اساسی را که برای اولین بار در سال 1932 کشف شد، بازطراحی کردهاند. آنها امکان انتقال بین سطوح انرژی در سیستمهای کوانتومی را به روشی که قبلاً ممنوع بود، فراهم کردهاند.
آنها با استفاده از یک مدار ابررسانا، روشی را برای دور زدن یک حالت انرژی میانی بدون تعامل مستقیم با آن نشان دادند—پیشرفتی که میتواند منجر به محاسبات کوانتومی قدرتمندتر و کارآمدتر شود.
پیشرفت در محاسبات کوانتومی
در سال 1932، در روزهای اولیه مکانیک کوانتومی، چهار فیزیکدان مشهور—لو لانداو، کلارنس زنر، ارنست اشتوکلبرگ و اتوره مایورانا—یک فرمول ریاضی برای محاسبه احتمال انتقال بین دو حالت انرژی در یک سیستم با انرژی وابسته به زمان توسعه دادند. در طول سالها، این فرمول به طور گسترده در فیزیک و شیمی به کار گرفته شده است.
اکنون، محققان دپارتمان فیزیک کاربردی دانشگاه آلتو نشان دادهاند که انتقالهای مشابه میتواند در سیستمهایی با بیش از دو سطح انرژی نیز رخ دهد. آنها با استفاده از یک انتقال مجازی از طریق یک حالت میانی و تنظیم فرکانس محرک با یک “چیرپ” خطی ( فرکانس به طور پیوسته و با سرعت ثابت تغییر میکند)، جهشهای حالت کنترلشده را حتی در سیستمهایی که تغییر مستقیم انرژی در آنها امکانپذیر نیست، به دست آوردند.
این تیم—متشکل از پژوهشگر مقطع دکتری ایساک بیورکمن، پژوهشگر فوق دکتری مارکو کوزمانوویچ و دانشیار سورین پارائوآنو—با موفقیت این فرآیند را در یک مدار ابررسانا، مشابه مدارهای مورد استفاده در رایانههای کوانتومی، پیادهسازی کردند.
این مقاله در 14 فوریه در مجله Physical Review Letters منتشر شد.
مقابله با محدودیتها محاسبات کوانتومی با یک تکنیک جدید
این تیم موفق شد دستگاه را از سطح انرژی پایه خود به آنچه که به عنوان سطح برانگیخته دوم شناخته میشود، برساند، حتی اگر هیچ جفتشدگی مستقیمی بین این سطوح وجود نداشته باشد. این کار با اعمال همزمان دو فرآیند لانداو-زنر-اشتوکلبرگ-مایورانا انجام شد. حالت برانگیخته اول در پایان پروتکل خالی گذاشته شد، گویی که به طور کامل از آن عبور شده باشد. این تکنیک یک محدودیت فیزیکی که رفتن مستقیم از سطح پایه به سطح دوم را ممنوع میکند، را دور میزند. نتیجه، یک پروتکل قویتر و با راندمان اطلاعات بالاتر است که میتواند در حوزههایی مانند رایانههای کوانتومی برای افزایش قدرت آنها اعمال شود.
ایساک بیورکمن، نویسنده اول، میگوید: «ما یک پالس کنترل الکتریکی ایجاد کردیم که با استفاده از یک فرآیند مجازی شامل سطح اول، حالت کیوبیت را از سطح پایه به سطح دوم تغییر میدهد. روش ما مزایای بسیاری دارد، از جمله اینکه نیازی به دانستن دقیق فرکانس انتقال نداریم، بلکه یک تخمین تقریبی کافی است.»
به طور معمول، نتایج مشابه نیازمند طرحهای کنترل بسیار پیچیده و تنظیم دقیق ظریف بود.
مارکو کوزمانوویچ میگوید: «افزایش تعداد سطوح در این نوع سیستم، پیچیدگی آن را به طور چشمگیری افزایش میدهد. یکی از مزایای رویکرد ما این است که افزودن حالت سوم را بسیار آسانتر میکند.»
کنترل دقیق و تأثیر دنیای واقعی
حتی بهتر از آن، روش جدید احتمالات انتقال بالا را نشان داد و مقاومت چشمگیری در برابر انحرافات فرکانس کیوبیت نشان داد. همچنین به عنوان یک روش کنترل برای معماریهای محاسبات کوانتومی چند سطحی مناسب است.
سورین پارائوآنو میگوید: «معمولاً، اگر یک سیستم چند سطحی داشته باشید، البته میتوانید مقداری تابش وارد کنید، اما به احتمال زیاد بسیاری از حالتهایی را که ممکن است نخواهید، برانگیخته میکنید. نتیجه ما نشان میدهد که چگونه میتوان حتی در سیستمهایی با انحراف فرکانس، حالت مورد نظر را بسیار دقیق هدف قرار داد. تصور کنید که در حال جستجوی ایستگاه رادیویی مورد علاقه خود هستید. روش ما به شما این امکان را میدهد که از روی فرکانسها بپرید و به فرکانسی که دوست دارید گوش دهید، حتی اگر نتوانید خیلی دقیق تنظیم کنید.»
هموار کردن راه برای محاسبات کوانتومی قدرتمندتر
علاوه بر کنترل بهتر، دور زدن یک حالت انرژی، راه را برای استخراج قدرت محاسباتی بیشتر از همان تعداد دستگاههای کیوبیتمانند هموار میکند. پارائوآنو میگوید: «این روش مقداری از سربار سختافزاری در رایانههای کوانتومی را کاهش میدهد.»
پیشنهاد مطالعه: همدوسی کوانتومی (Quantum Coherence) چیست؟
Observation of the Two-Photon Landau-Zener-Stückelberg-Majorana Effect by Isak Björkman, Marko Kuzmanović and Gheorghe Sorin Paraoanu, 14 February 2025, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.060602
دیدگاهتان را بنویسید