دستاوردی بی سابقه: تله پورت اطلاعات میان رایانه های کوانتومی برای اولین بار در دنیا - وبلاگ نصیراباد

به گزارش وبلاگ نصیراباد، در پیشرفت تازه ای که می تواند آینده رایانش کوانتومی را متحول کند، دانشمندان دانشگاه آکسفورد پیروز شده اند برای نخستین بار واحدهای پردازشی کوانتومی را میان چند رایانه کوانتومی توزیع نمایند، بدون اینکه عملکرد آن ها دچار اختلال گردد. این آزمایش که در فاصله دو متری در یک آزمایشگاه انجام شد، گامی مهم در جهت توسعه یک شبکه جهانی از رایانه های کوانتومی به هم متصل محسوب می گردد.

این تحقیق نشان داد که می توان ماژول های کوانتومی را به وسیله پدیده تله پورت (Teleportation) به یکدیگر متصل کرد، بدون اینکه کیفیت پردازش اطلاعات کاهش یابد. چنین امکانی، راه را برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی هموار می نماید که در آن رایانه های کوانتومی در سراسر دنیا قادر خواهند بود به صورت یکپارچه با یکدیگر همکاری نمایند و محاسباتی را انجام دهند که فراتر از توان رایانه های کلاسیک است.

تله پورت کوانتومی چیست و چگونه کار می نماید؟

تله پورت کوانتومی، برخلاف تصورات علمی-تخیلی که آن را به انتقال آنی افراد از یک نقطه به نقطه دیگر مرتبط می نمایند، به مفهوم انتقال اطلاعات کوانتومی بدون حرکت فیزیکی ذرات اشاره دارد.

در فیزیک کوانتومی، ذرات می توانند تا زمانی که مقدار گیری نشوند، در حالت های ناتعیین و هم زمان قرار بگیرند. به این شرایط، برهم نهی (Superposition) می گویند. اما نکته جالب تر این است که اگر دو ذره به طور کوانتومی درهم تنیده (Entangled) شوند، ویژگی های آن ها به هم گره می خورد، حتی اگر فاصله زیادی از یکدیگر داشته باشند. این بدان معناست که اگر روی یکی از این دو ذره مقدار گیری انجام گردد، ذره دیگر، حتی اگر در کیلومترها دورتر قرار داشته باشد، بلافاصله یک شرایط تعیین را اتخاذ خواهد نمود.

در این پژوهش، دانشمندان از این ویژگی شگفت انگیز برای انتقال یک حالت اسپینی (Spin State) از یک پردازنده کوانتومی به پردازنده دیگر استفاده کردند. برخلاف روش های سنتی انتقال اطلاعات که به تبادل فوتون یا سیگنال احتیاج دارند، تله پورت کوانتومی امکان انتقال اطلاعات را بدون احتیاج به جابه جایی فیزیکی ذره فراهم می نماید.

این پژوهش ثابت کرد که می توان به وسیله تله پورت، کیوبیت ها (Qubits) را بین ماژول های مختلف رایانه های کوانتومی توزیع کرد و در نتیجه، معماری این رایانه ها را مقیاس پذیرتر کرد. این یافته ها راه را برای ساخت یک ابررایانه کوانتومی توزیع شده باز می نماید که در آن چندین ماژول به طور هم زمان پردازش اطلاعات را انجام می دهند.

چرا این کشف اهمیت دارد؟

رایانه های کوانتومی، برخلاف رایانه های کلاسیک که از بیت های صفر و یک برای پردازش داده ها استفاده می نمایند، از کیوبیت ها (Qubits) بهره می برند. این کیوبیت ها می توانند به طور هم زمان در چندین شرایط قرار بگیرند، امکانی که به رایانه های کوانتومی اجازه می دهد محاسبات پیچیده را با سرعتی بی سابقه انجام دهند. اما یکی از چالش های اصلی در توسعه این فناوری، این است که هرچه تعداد کیوبیت ها بیشتر گردد، حفظ همبستگی و درهم تنیدگی میان آن ها سخت تر خواهد شد.

در حال حاضر، رایانه های کوانتومی موجود دارای محدودیت های فنی هستند. به علت ناپایداری کیوبیت ها، اطلاعات کوانتومی می تواند به سرعت از بین برود، مگر اینکه محیط پردازش به شدت ایزوله و پایدار نگه داشته گردد. این موضوع باعث می گردد که توسعه رایانه های کوانتومی در مقیاس بزرگ، احتیاجمند تدابیر پیچیده ای مانند اصلاح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction) باشد.

پژوهش نو نشان داد که می توان چندین پردازنده کوانتومی را بدون احتیاج به یک سیستم واحد، به وسیله تله پورت به هم متصل کرد. به عبارت دیگر به جای ساخت یک رایانه کوانتومی غول پیکر، می توان چندین ماژول مستقل را که با تله پورت کوانتومی به هم متصل اند، به کار گرفت. این روش نه تنها بهره وری سیستم های کوانتومی را افزایش می دهد، بلکه به محققان این امکان را می دهد که با افزودن ماژول های نو، به راحتی توان محاسباتی را افزایش دهند.

چگونه این آزمایش انجام شد؟

محققان در این آزمایش از یک حالت اسپینی کوانتومی استفاده کردند و پیروز شدند آن را میان دو پردازنده کوانتومی به اشتراک بگذارند. نتیجه آزمایش نشان داد که کیفیت اطلاعات تله پورت شده، 86 درصد با داده اولیه مطابقت دارد که برای انجام پردازش های کوانتومی بسیار قابل قبول است.

در ادامه این آزمایش، دانشمندان از این اطلاعات در یک دروازه منطقی کوانتومی (Quantum Logic Gate) برای اجرای الگوریتم گروور (Grovers Algorithm) استفاده کردند. این الگوریتم که یکی از مهم ترین الگوریتم های محاسبات کوانتومی است، پیروز شد با دقت 71 درصد میان دو پردازنده کوانتومی اجرا گردد. این اندازه دقت نشان می دهد که تله پورت کوانتومی می تواند به طور عملی در محاسبات واقعی مورد استفاده قرار گیرد.

تأثیرات این کشف در آینده رایانش کوانتومی

این کشف می تواند آینده رایانه های کوانتومی و شبکه های ارتباطی آن ها را متحول کند. یکی از مسائل اصلی در ساخت رایانه های کوانتومی بزرگ این است که هرچه تعداد کیوبیت ها بیشتر گردد، مدیریت همبستگی آن ها دشوارتر خواهد شد. اما پژوهش نو نشان داد که می توان با استفاده از چندین ماژول مجزا، به جای یک سیستم واحد، این مشکل را حل کرد.

یکی دیگر از مزایای این روش، انعطاف پذیری بیشتر در توسعه فناوری کوانتومی است. در یک رایانه کوانتومی سنتی، اگر یکی از بخش های سیستم دچار مشکل گردد، کل پردازنده ممکن است دچار نقص گردد. اما در این مدل نو، ماژول های کوانتومی می توانند بدون اختلال در کل سیستم، ارتقا پیدا نمایند یا جایگزین شوند.

محققان این پژوهش باور دارند که در آینده، با ترکیب فناوری تله پورت کوانتومی و ارتباطات نوری، می توان شبکه ای از رایانه های کوانتومی را در سراسر دنیا ایجاد کرد. چنین شبکه ای، که به عنوان اینترنت کوانتومی (Quantum Internet) شناخته می گردد، قادر خواهد بود که محاسبات عظیمی را که فراتر از توان رایانه های کلاسیک است، انجام دهد.

نتیجه گیری: شروع عصر نوی در رایانش کوانتومی

پژوهش اخیر برای نخستین بار نشان داد که می توان واحدهای پردازش کوانتومی را به وسیله تله پورت میان رایانه های مختلف توزیع کرد. این پیشرفت، راه را برای توسعه یک ابررایانه کوانتومی توزیع شده باز می نماید که در آن، چندین پردازنده کوانتومی به صورت هماهنگ پردازش داده ها را انجام می دهند.

این پیروزیت علمی می تواند مسیری تازه در توسعه رایانه های کوانتومی و اینترنت کوانتومی بگشاید و زمینه را برای حل مسائل پیچیده علمی، صنعتی و فناوری فراهم کند.

منبع: نیچر