نقاط کوانتومی، شاه‌کلید ساخت رایانه فوتونی مقیاس‌پذیر می‌شوند_صبح سریع

در پیشرفتی دیدنی در عرصه رایانش کوانتومی، پژوهشگران دانشگاه‌های کپنهاگ، بریستول و شرکت «اسپارو کوانتوم» (Sparrow Quantum) با طراحی معماری‌ای مبتنی بر فوتون‌های زمان‌کدگذاری‌شده و نقطه‌های کوانتومی، گامی اساسی در مسیر تحقق رایانه‌ کوانتومی فوتونی مقاوم در برابر اشتباه برداشته‌اند. این مطرح، که در سرور پیش‌چاپ arXiv انتشار شده، نه‌تنها مبتنی بر اجزای آزمایشگاهی حاضر است، بلکه با مراعات ملاحظات فنی و همانند‌سازی دقیق خطاها، امیدها برای ساخت سامانه‌ای واقعی و مقیاس‌پذیر را تحکیم کرده است.

برخلاف رویکردهای مرسوم که به منبع های فوتونی اتفاقی متکی‌اند، این معماری تازه از منبع های قطعی فوتون در قالب نقطه‌های کوانتومی درون موج‌برهای بلور فوتونی منفعت گیری می‌کند. این منبع های با منفعت‌گیری از پالس‌های لیزری دقیق و چرخش‌های اسپینی، زنجیره‌ای از فوتون‌های درهم‌تنیده در زمان تشکیل می‌کنند که پایه‌ مهم محاسبات کوانتومی را شکل می‌دهد.

معماری پیشنهادی بر مدل رایانش کوانتومی مبتنی بر هم‌جوشی (FBQC) محکم است. در این مدل، به‌جای ساخت مدارهای بزرگ و پیچیده، محاسبات از طریق اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیده بر مجموعه‌ای از حالت‌های منبع کوچک انجام می‌شود. به‌این‌ترتیب، با منفعت گیری از دروازه‌های هم‌جوشی بازگشتی (RUS) که تا زمان پیروزی تکرار خواهد شد، فوتون‌ها در یک شبکه ماژولار کم‌عمق به‌هم متصل شده و تلفات نوری به‌نحوه محسوسی افت می‌یابد.

برای اصلاح خطای بلادرنگ، پژوهشگران از ساختار شبکه‌ای موسوم به کد رنگی فلوکه سه‌بعدی (sFFCC) منفعت گرفته‌اند. این شبکه‌ پیچیده، خطاهای ناشی از تلفات فوتونی، واپاشی اسپینی و نامتمایز بودن فوتون‌ها را تشخیص داده و اصلاح می‌کند. همانند‌سازی‌های انجام‌شده نشان داده‌اند که معماری طراحی‌شده، اغاز‌های حیاتی برای تحمل اشتباه را حتی در شرایط واقعی و پرنویز نگه داری می‌کند.

مطرح پیشنهادی شامل سه قسمت مهم است: منبع های تشکیل فوتون درهم‌تنیده (EPS): این منبع های مبتنی بر نقاط کوانتومی جاسازی‌شده در موج‌برهای بلوری می باشند و قادر به تشکیل زنجیره‌ای از فوتون‌های زمان‌کدگذاری‌شده‌اند که با حالت اسپینی الکترون درهم‌تنیده‌اند.

مدارهای اندازه‌گیری هم‌جوشی: فوتون‌های تولیدی از طریق سوییچ‌ها و تقسیم‌کننده‌های نوری به دروازه‌های هم‌جوشی هدایت خواهد شد تا در هم‌تنیدگی زوج‌های فوتونی صورت گیرد. کارکرد این مدارها به نتایج آشکارسازی بستگی دارد و در صورت عدم پیروزی، به‌طور بلادرنگ بازپیکربندی خواهد شد.

واحد کنترل کلاسیک: این قسمت مسئول هماهنگی کل سیستم، ثبت پیروزی یا ناکامی هم‌جوشی، و ارسال سیگنال‌های کنترلی به منبع های فوتونی است. این واحد، عملیات اصلاح اشتباه و هماهنگ‌سازی سامانه را در مقیاس نانوثانیه انجام می‌دهد.

این مطالعه این چنین الزامات دقیق سخت‌افزاری همانند زمان مرده آشکارسازها، نرخ تکرار پالس‌ها و شدت سوییچ‌های فاز را اشکار کرده و مشخص می کند که تعداد بسیاری از این الزامات با فناوری‌های جاری نقاط کوانتومی قابل تحقق می باشند. برای نمونه، این سیستم در کد تصحیح خطای کوچک (با طول L=۳)، تنها به ۵ فازشکن فعال و ۸ تقسیم‌کننده نوری غیرفعال برای هر فوتون نیاز دارد؛ ساختاری زیاد کم‌حجم و کارآمد.

بااین‌حال، این نقشه راه خالی از چالش نیست. با اهمیت ترین محدودیت، وابستگی زیاد آن به بلوغ سخت‌افزاری نقاط کوانتومی است. برای دستیابی به کارکرد پایدار، به زمان هم‌دوسی اسپینی بالای ۱۲ میکروثانیه و یکنواختی فوتونی بیشتر از ۹۶ درصد نیاز است؛ مقادیری که در اغاز توان فناوری جاری قرار دارند. این چنین اجرای موفق الگوریتم‌های بازگشتی همانند RUS الزام کنترل الکترونیکی زیاد سریع و دقیق در مقیاس نانوثانیه‌ای است که نیاز به یکپارچه‌سازی سخت‌افزارهای اپتیکی و الکترونیکی دارد.

پژوهشگران در آخر، مسیرهای آینده برای بهبود کارکرد این معماری را شامل افزایش چرخه‌پذیری نوری، کنترل بهتر اسپین هسته‌ای، افت خطای دروازه‌های هم‌جوشی و طراحی تراشه‌های مجتمع نوری می‌دانند. منفعت گیری از فناوری‌های تازه نظیر فوتونیک مبتنی بر نیوبیتات لیتیوم یا نیترید سیلیکون نیز برای افت تلفات اپتیکی نظر شده است.

به‌حرف های نویسندگان، این نقشه راه با تکیه بر اجزای آزمایش‌شده و داده‌های تجربی، نخستین قدم معتبر برای انتقال رایانش کوانتومی فوتونی از قلمرو نظری به دنیای کاربردی و صنعتی است. با روشن‌ شدن مسیر پیش رو، اکنون تمرکز می‌تواند از پژوهش‌های بنیادی به گسترش مهندسی موثر تحول یابد.