پژوهشگران MIT سریع‌ترین کوپلینگ نور و ماده را در یک سیستم کوانتومی نشان دادند_صبح سریع

 این دستاورد با منفعت گیری از یک کوپلر ابررسانای نوآورانه به نام «quarton» حاصل شده است. قوت این برهم‌کنش — که نزدیک به ۱۰ برابر زیاد تر از سیستم‌های قبل است — می‌تواند خوانش (readout) و عملیات های محاسبات کوانتومی را به‌طور چشمگیری تسریع کند؛ دو عاملی که برای افت اشتباه از طریق تصحیح خطای سریع تر حیاتی می باشند. معماری مبتنی بر quarton، تعامل کارآمدتری بین کیوبیت‌ها و فوتون‌های مایکروویو فراهم می‌کند و امکان اندازه‌گیری زیاد سریع تر حالت‌های کوانتومی را فراهم می‌آورد. هرچند این پژوهش اکنون تنها یک نمایش بنیادی از فیزیک است، اما زیرساخت مهمی برای ساخت رایانه‌های کوانتومی سریع تر و مقاوم در برابر اشتباه فراهم می‌کند؛ رایانه‌هایی که قادر به انجام کاربردهای واقعی خواهند می بود.

شرح کامل دستاورد:

پژوهشگران MIT موفق شده‌اند نیرومندترین برهم‌کنش غیرخطی نور–ماده را که تا بحال در یک سیستم کوانتومی مشاهده شده، به نمایش بگذارند — موفقیتی که می‌تواند عملیات محاسبات کوانتومی را به‌طور چشمگیری تسریع کند و نرخ خطاها را افت دهد. این دستاورد بر پایه یک دستگاه ابررسانای تازه به نام کوارتون (quarton) کوپلر محکم است که توسط Yufeng Ye، فارغ‌التحصیل دکترای MIT، ابداع شده است. این کوپلر توانسته است امکان کوپلینگ بین کیوبیت‌ها و فوتون‌ها را با قوت اتصال تقریباً ده برابر زیاد تر از مطرح‌های قبلی فراهم می‌کند.

در رایانه‌های کوانتومی، انجام سریع عملیات و اندازه‌گیری‌ها حیاتی است؛ چون کیوبیت‌ها عمر محدودی دارند — مفهومی که به آن زمان همدوسی (coherence time) حرف های می‌شود. شدت بالای عملیات برای اجرای مؤثر تصحیح خطاهای کوانتومی الزامی است؛ چراکه این اصلاحات باید پیش از آن‌که اطلاعات توسط نویز از بین برود، انجام شوند. یکی از گلوگاه‌های مهم در این مسیر، شدت خوانش (readout) کیوبیت‌ها است — یعنی توانایی در اندازه‌گیری سریع و دقیق حالت کوانتومی.

نوآوری تیم MIT با منفعت‌گیری از کوپلینگ غیرخطی به این مشکل جواب داده است. در این نوع برهم‌کنش، حرکت سیستم بیشتر از جمع حرکت اجزای آن است، که برای انجام عملیات پیچیده‌ی کوانتومی الزامی است. کوپلر کوارتون، که یک مدار اختصاصی ابررسانا است، با افزایش جریان ورودی، قوت کوپلینگ غیرخطی را نیز تحکیم می‌کند. این ویژگی کلیدی است؛ چون اکثر الگوریتم‌های سودمند کوانتومی نیاز به این نوع برهم‌کنش دارند.

در این آزمایش، تراشه‌ای شامل دو کیوبیت ابررسانا با یک کوپلر کوارتون طراحی شد. یکی از کیوبیت‌ها به گفتن رزوناتور (تشدیدگر) عمل می‌کرد و فرد دیگر به‌گفتن اتم مصنوعی اطلاعات کوانتومی را ذخیره می‌کرد. فوتون‌های مایکروویو — ذرات نوری که در سیستم‌های کوانتومی ابررسانا منفعت گیری خواهد شد — واسطه این برهم‌کنش‌ها بودند. با تشکیل برهم‌کنش زیاد قوی بین اتم مصنوعی و رزوناتور، توان خوانش سیستم به‌طور چشمگیری بهبود یافت.

علاوه بر کوپلینگ نور–ماده، این تیم این چنین موفق به نمایش برهم‌کنش قوی ماده–ماده (بین کیوبیت‌ها) شد، که برای تشکیل درهم‌تنیدگی (entanglement) و اجرای گیت‌های منطقی کوانتومی الزامی است. این نوشته افق‌هایی برای عملیات سریع تر و معماری‌های قابل گسترش تشکیل می‌کند.

هرچند این سیستم تا این مدت در رایانه‌ای کامل به کار نرفته، اما نمایش این نوع برهم‌کنش بنیادی قوی، گامی مهم به‌سوی ساخت رایانه کوانتومی مقاوم در برابر اشتباه (fault-tolerant) به حساب می اید — گامی الزامی برای کاربردهای عملی و در مقیاس بزرگ، همانند همانند‌سازی مواد، بهینه‌سازی، و یادگیری ماشین.

این پژوهش به رهبری Yufeng Ye و نویسنده مسئول Kevin O’Brien، استاد گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT و سرپرست گروه الکترونیک همدوس کوانتومی، انجام شده و با همکاری MIT، آزمایشگاه لینکلن و دانشگاه هاروارد در نشریه Nature Communications انتشار شده است.