گامی به‌سمت کامپیوترهای کوانتومی

فیزیک‌دانان بخش تجاری سازمان فناوری و استانداردهای ملی(NIST) با تحریک هزاران اتم که به‌وسیله پرتو لیزر به دام افتاده بودند، آنها را وادار به مبادله اسپین با اتم مجاور خود کردند. این مبادلات تکرارشونده که فقط ده میلی‌ثانیه دوام دارند ممکن است روزی انجام عملیات منطقی در کامپیوترهای کوانتومی را امکان‌پذیر سازند، که در آن صورت می‌توان از نظر تئوری مسائلی را که امروزه بهترین ابرکامپیوترها از حل آن عاجزند حل کرد.

فیزیک‌دانان بخش تجاری سازمان فناوری و استانداردهای ملی(NIST) با تحریک
هزاران اتم که به‌وسیله پرتو لیزر به دام افتاده بودند، آنها را وادار به
مبادله اسپین با اتم مجاور خود کردند.

این مبادلات تکرارشونده که فقط ده میلی‌ثانیه دوام دارند ممکن است روزی
انجام عملیات منطقی در کامپیوترهای کوانتومی را امکان‌پذیر سازند، که در آن
صورت می‌توان از نظر تئوری مسائلی را که امروزه بهترین ابرکامپیوترها از حل
آن عاجزند حل کرد.

این فعل و انفعالات اتمی که در شماره ماه جولای مجله Nature توصیف شده‌است،
دورنمایی برای استفاده از اتم‌های خنثی را به‌عنوان کیوبیت‌هایی برای ذخیره‎سازی
و پردازش داده‌ها در کامپیوترهای کوانتومی ترسیم می‌کند.

به‌دلیل کنجکاوی‌های مکانیک کوانتومی، کامپیوترهای کوانتومی می‎توانند توان
فوق‌العاده‌ای را برای کاربردهایی نظیر شکستن کدهای رمزی ـ که امروزه
کاربرد گسترده‌ای دارد ـ فراهم نمایند.

اتم‌های خنثی حدود یک سیستم دوازده‎تایی هستند که امروزه در گوشه و کنار
جهان به‌عنوان کیوبیت‌ها مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند و ‌برهمکنش ضعیف آنها
با محیط ممکن است به کاهش خطاهای محاسباتی کمک کند.

گروه NIST به سرپرستی William Phillips بخش اساسی یک عمل به‌اصطلاح تبادلی
را تشریح کردند که در آن اتم مجاور حالت اسپینی درونی‎اش را عوض می‎کند. در
کامپیوترهای دوزبانه ، اتم‎ها مقادیرشان را از یک(اسپین بالا) به صفر(اسپین
پایین) و بالعکس عوض می‎کنند. بر خلاف بایت‎های کلاسیک که یا در حال تبادل
هستند یا خلاف آن، بایت‌های کوانتومی می‎توانند هر دو حالت تبادل و تبادل
نداشتن را در یک زمان واحد داشته باشند.

تحت این شرایط، اسپین مبادله‌شده جفتش را تحت یک پدیده کوانتومی که خواص
اتم‎ها را به هم مرتبط می‎سازد ـ حتی هنگامی که از لحاظ خواص فیزیکی متفاوت
باشند ـ به دام می‎اندازد. این فرایند یکی از ویژگی‎هایی است که
کامپیوترهای کوانتومی را بسیار مفید و قدرتمند می‎سازد.

اتم‌ها در موقعیت مخصوص خود در یک شبکه نوری سه‌بعدی، که با پرتو لیزر
ایجادشده قرار داده می‎شوند. در ابتدا تمامی اتم‎ها، اسپین یکسانی دارند،
سپس یک میدان فرکانس رادیویی برای جابه‌جا کردن اسپین اتم‎ها به موقعیت
دیگر اعمال می‎شود و موقعیت‌های با اتم‌های با اسپین‎ مخالف جفت می‎شوند.
 
Trey Porto، یکی از نویسندگان مقاله، می‎گوید:” این فرایند تبادل، روشی است
بسیار مهم برای ایجاد ارتباط منطقی بین داده‎ها در هر کامپیوتر است. یک
عملیات منطقی، مشابه حالتی نظیر اگر …. آنگاه … است. مثلاً اگر دو
کیوبیت حالت‎هایی مخالف هم داشته باشند، آنگاه باید مقادیرشان را تغییر
دهند.

آزمایش NIST بر روی حدود ۶۰ هزار اتم روبیدیم در حالت چگالش انیشتین-
بوز(BEC) (یک حالت خاص از ماده که در آن همه اتم‎ها در حالت کوانتومی
یکسانی هستند) انجام شد. آنها درون یک شبکه نوری سه‌بعدی که با سه جفت پرتو
لیزری مادون قرمز تشکیل شده بود، به دام افتادند. لیزرها طوری تنظیم شدند
تا دو شبکه افقی روی هم افتاده، شبیه دو صفحه مشبک ایجاد کنند. این حالت،
جفت‌های بسیار زیادی از حفره‎های انرژی را برای به دام انداختن اتم‌ها
ایجاد کرد.

دانشمندان سعی کردند تا یک اتم منفرد را با اسپین بالا در یک حفره و اتمی
با اسپین مخالف را در حفره دیگر قرار دهند، سپس هر دو جفت را ادغام کرده و
اتم‌ها را برای داشتن برهمکنش مجبور کردند تا در یک حفره با هم جفت شوند.

وقتی که دوتا از این اتم‌های هم‎ارز به موقعیت فیزیکی یکسانی بروند، مکانیک
کوانتومی نوع خاصی از تقارن را به آنها تحمیل می‎کند. به‌دلیل این محدودیت،
اتم‌های ادغام‌شده بین دو حالت ـ که در آنها یکی از اتم‌ها دارای اسپین۱ و
دیگری دارای اسپین ۰ و حالت مخالف آن است ـ نوسان می‎کنند.

اتم‌ها همچنان که در حال مبادله اسپین هستند، به داخل ناحیه به‌دام‎اندازی
وارد و از آن خارج می‎شوند. در نقطه میانی تبادل، اسپین هر اتم نامعلوم است
و اگر اندازه‎گیری شود، ممکن است به حالت بالا یا پایین تغییر حالت دهد؛
ولی نتیجه هر چه باشد مطمئن خواهیم بود که نتیجه اندازه‎گیری اتم دیگر
مخالف اولی است. این گیراندازی، ویژگی کلیدی توانمندسازی محاسبات کوانتومی
است. مطابق گزارش Porto ، این اولین باری است که از مکانیک کوانتومی
متقارن(جابه‌جایی متقارن) برای انجام چنین عمل به‌دام‎اندازی استفاده شده‌است.

پژوهشگران هم‎اکنون بر روی توسعه روش‌هایی برای تنظیم و دست‎کاری هر جفت از
اتم‌ها در شبکه کار می‎کنند. هم‌اکنون اعضای این گروه در حال توسعه قابلیت
اطمینان هر مرحله و تکامل عملیات منطقی به‌وسیله جداسازی اتم‌ها پس از
برهمکنش آنها با هم هستند.