قدرتمندترین سیستم کوانتومی مبتنی بر یون جهان ساخته شد

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از اینترستینگ اینجینرینگ، یک گروه تحقیقاتی به رهبری دوان لومینگ در موسسه علوم اطلاعات میان رشته‌ای دانشگاه تسینگ‌هوا در چین، قدرتمندترین سیستم محاسباتی کوانتومی مبتنی بر یون در جهان را ساخته‌اند. دستاورد مهمی که راه را برای توسعه کامپیوتر‌های کوانتومی مقیاس پذیر در آینده هموار می‌کند.  

رایانه‌های کوانتومی که به عنوان مرز بعدی محاسبات در نظر گرفته می‌شوند، نویدبخش محاسبات سریع‌تری هستند که می‌تواند به بشریت در حل چالش‌های پزشکی، نجوم و تغییرات آب و هوایی کمک کند. این دستاورد با استفاده از بیت کوانتومی یا کیوبیت برای ذخیره اطلاعات به دست می‌آید.

برخلاف بیت‌های کلاسیک در رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون، که می‌توانند در حالت «روشن» یا «خاموش» باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند همزمان روشن و خاموش باشند در حالی که محدوده‌ای از حالت‌ها را در بین خود اشغال می‌کنند، که به عنوان برهم نهی نیز شناخته می‌شود. این به الگوریتم‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا اطلاعات را در کسری از زمانی که حتی برای سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان طول می‌کشد پردازش کنند.  

سیستم‌های کوانتومی مبتنی بر یون، یون‌ها یا ذرات باردار را با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی معلق می‌کند و به عنوان کیوبیت در یک سیستم کوانتومی استفاده می‌کند. با این حال، کار قبلی در این زمینه نشان داده است که اگرچه اطلاعات کوانتومی را می‌توان با استفاده از حرکت جمعی یون‌ها منتقل کرد، اما این سیستم برای افزایش مقیاس مناسب نیست.  

همانطور که مقیاس‌گذاری رایانه‌های مبتنی بر سیلیکون به دستیابی به محاسبات پیچیده کمک می‌کند، مقیاس‌پذیری در محاسبات کوانتومی نیز مهم است. برای غلبه بر این چالش با یون ها، محققان از سیستم‌های یون به دام افتاده استفاده کرده اند.  

در چنین سیستمی، محققان از یک کریستال یونی تک بعدی استفاده می‌کنند که یون‌ها را در ساختار شبکه‌ای درون خود متصل می‌کند، از این رو سیستم یون به دام افتاده نامیده می‌شود. این رویکرد در میان فیزیکدانان کوانتومی که تاکنون به شبیه سازی با ۶۱ یون دست یافته اند، بسیار محبوب است.  

محققان تیم دوان در دانشگاه تسینگ‌هوا با به‌دام انداختن و سرد کردن یک کریستال دو بعدی با ۵۱۲ یون، برای نخستین‌بار رکورد جدیدی را در زمینه علوم کوانتومی ثبت کردند.  

این دستاورد توسط بازبینان به عنوان «نقطه عطفی برای شناسایی» در مجله‌ای که دوان و همکارانش یافته‌های تحقیقات خود را در آنجا منتشر کردند، تحسین شد.  

با توجه به اینکه مقیاس پذیری با یون‌ها یک مشکل در محاسبات کوانتومی محسوب می‌شد حرکت محققین چینی به سمت سیستم‌های کوانتومی مقیاس پذیر یک دستاورد مهم است. محققان این توانایی را در یک سیستم شبیه‌سازی کوانتومی پایدار نشان دادند که یکی از منتقدان مقاله آن را بزرگترین شبیه‌سازی جهان نامید.  

شبیه ساز‌های کوانتومی دستگاه‌هایی هستند که به محققان کمک می‌کنند تا با تجزیه و تحلیل اثرات کوانتومی، پاسخ‌هایی در مورد سیستم‌های مدل کوانتومی پیدا کنند. آنها ابزار‌های محبوبی در بین محققان هستند، زیرا می‌توانند به پیشرفت دانش علمی در مورد سیستم‌های کوانتومی کمک کنند

محققان همچنین شبیه‌سازی دیگری را با استفاده از کیوبیت‌های ۳۰۰ یونی برای تکمیل موفقیت‌آمیز محاسبات کوانتومی انجام دادند. توانایی محاسباتی چنین سیستمی قبلاً نجومی بود و بسیار فراتر از توانایی‌های رایانه‌های کلاسیک بود.  

این تحقیق چین را به ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ در آینده نزدیک می‌کند، منطقه‌ای که در آن به طور مستقیم با ایالات متحده رقابت می‌کند. جالب اینجاست که دوان، دانشجوی دکترا از دانشگاه علم و صنعت چین، ۱۵ سال در ایالات متحده تدریس کرد و سپس در سال ۲۰۱۸ به چین بازگشت.  

یافته‌های تحقیق این هفته در مجله نیچر منتشر شد.