حل بزرگترین چالش‌های رایانش کوانتومی با «سازه نوری»

به گزارش پیام امروز و به نقل از آی‌ای، یک دانشجوی دکترا یک روش نوآورانه را برای ایجاد بلوک‌های اولیه یک رایانه کوانتومی یا اینترنت در آینده به شیوه‌ای کنترل شده ابداع کرده است که راه حلی بالقوه را برای بسیاری از چالش‌های موجود در مسیر این فناوری که مدت‌ها به دنبال آن بود، ابداع می‌کند.

پایان نامه دکترای “پتر اشتایندل” که وی هفته گذشته در دانشگاه “لیدن” آلمان از آن دفاع کرد، روش جدیدی را برای تولید فوتون با استفاده از نقاط کوانتومی و ریزحفره‌ها بررسی می‌کند.

اشتایندل می‌گوید: خیلی ساده است، یک نقطه کوانتومی جزیره کوچکی از مواد نیمه‌رساناست. از آنجایی که اندازه آن تنها چند نانومتر است، اثرات کوانتومی را درست مانند یک اتم احساس می‌کند.

نقاط کوانتومی که گاهی اتم‌های مصنوعی نامیده می‌شوند، راه قابل کنترل‌تری برای کشف پدیده‌های کوانتومی ارائه می‌دهند و آن‌ها را برای کار گسیل فوتون‌های منفرد از یک ماده ایده‌آل می‌کنند.

اشتایندل برای انجام این کار، این «جزیره» نیمه رسانا را در یک ریزحفره قرار داد که حفره‌ای به قطر تنها چند نانومتر است، به طوری که تنها به طول موج‌های دقیق نور اجازه عبور از آن را می‌داد.

اشتایندل گفت: شما می‌توانید این حفره را به صورت دو آینه روبروی هم تصور کنید که نور لیزر بین آنها جابجا می‌شود. نقطه کوانتومی تعامل با نور را دوست ندارد، اما حفره نوری احتمال آن را بیشتر می‌کند، زیرا لیزر بارها از نقطه عبور می‌کند.

این نور در نهایت با الکترون‌های نقطه کوانتومی برهم‌کنش می‌کند و اینجاست که همه چیز برای پژوهشگران رایانه کوانتومی جالب می‌شود.

اشتایندل می‌گوید: لیزر تشدید شده یک الکترون در نقطه کوانتومی را از حالت انرژی پایه به حالت بالاتر تحریک می‌کند. زمانی که نقطه کوانتومی به حالت پایه برمی‌گردد، یک فوتون ساطع می‌کند. ریزحفره به راحتی این فوتون را به سمت بقیه تنظیمات ما هدایت می‌کند.

جدا کردن فوتون از لیزر چالش برانگیز است، زیرا طول موج آن با لیزر برابر است، اما طبق گفته اشتایندل می‌توان آن را عملی کرد.

وی می‌گوید: چالش اصلی، جداسازی این فوتون از نور لیزر است. طول موج لیزر مشابه فوتون است، اما قطب آن کمی متفاوت است و شما می‌توانید از این ویژگی برای جداسازی فوتون استفاده کنید. سپس تک‌فوتون‌ها را می‌توان در انواع فناوری‌های دیگر، به ‌ویژه در برنامه‌های رایانش کوانتومی که در آن فوتون‌های منفرد می‌توانند اثرات کوانتومی قدرتمندی داشته باشند، استفاده کرد.

رایانه کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم‌تنیدگی (Entanglement) برای رایانش استفاده می‌کند. رایانه‌های کوانتومی با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند، تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس رایانه‌های کوانتومی نهفته‌ است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، ماشین تورینگ کوانتومی است که رایانه کوانتومی جهانی نیز نامیده می‌شود.

اگر چه رایانش کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که طی آن‌ها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کیوبیت‌ها اجرا شده‌ است. کشورهای چین و آمریکا در زمینه توسعه رایانه کوانتومی پیشگام هستند. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه رایانه‌های کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی حمایت می‌کنند.

اگر رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند.

اشتایندل می‌گوید: ما می‌دانیم که تک‌فوتون‌ها برای امنیت و احراز هویت مفید هستند. برای مثال، می‌توانید دو فوتون منفرد یکسان را از مکان‌های مختلف به روی یک تقسیم‌کننده پرتو ارسال کنید. اگر این فوتون‌ها در حالت تغییریافته برسند یا به طور همزمان نرسند، آن وقت می‌دانید که یک استراق سمع در مسیر وجود داشته است.

وی افزود: به نظر من ساختن این سازه‌های نوری بسیار شگفت انگیز هستند. این واقعیت که اصلاً امکان انجام این کار وجود دارد و این که ما می‌توانیم فیزیک را در چنین سطح عمیقی درک کنیم، جذاب و در عین حال گیج کننده است.

انتهای پیام