تصميم كمبيوتر كمي بسيط نسبيًا يستخدم ملفًا واحدًا ذرة لمعالجة الفوتونات يمكن بناؤها مع المكونات المتاحة حاليا.
توصل باحثون في جامعة ستانفورد الآن إلى تصميم أبسط لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية باستخدام مكونات متاحة بسهولة ، وفقًا لمقال نُشر في 29 نوفمبر 2021 في بصري. يستخدم تصميمهم المقترح الليزر لمعالجة ذرة واحدة والتي بدورها يمكن أن تغير حالة الفوتونات عبر ظاهرة تسمى “النقل الآني الكمي”. يمكن إعادة ضبط الذرة وإعادة استخدامها للعديد من البوابات الكمومية ، مما يلغي الحاجة إلى بناء عدة بوابات مادية منفصلة ، مما يقلل بشكل كبير من تعقيد بناء الكمبيوتر الكمي.
قال طالب الدكتوراه بن بارتليت: “في العادة ، إذا كنت ترغب في بناء هذا النوع من الكمبيوتر الكمومي ، فمن المحتمل أن تأخذ الآلاف من بواعث الكم ، وتجعلها جميعًا غير قابلة للتمييز تمامًا ، ثم تلائمها في دائرة فوتونية عملاقة”. في الفيزياء التطبيقية والمؤلف الرئيسي للمقال. “بينما مع هذا التصميم ، نحتاج فقط إلى عدد قليل من المكونات البسيطة نسبيًا ، ولا يزيد حجم الجهاز مع حجم البرنامج الكمي الذي تريد تشغيله. “
لا يتطلب هذا التصميم البسيط بشكل ملحوظ سوى بضع قطع من المعدات: كبل ألياف بصرية ، وموزع شعاع ، وزوج من المفاتيح الضوئية ، وتجويف بصري.
https://www.youtube.com/watch؟v=dXCGYqmkOwg
رسم متحرك للكمبيوتر الكمومي الضوئي اقترحه الباحثون. على اليسار توجد حلقة التخزين ، والتي تحتوي على عدة فوتونات عكسية الانتشار. على اليمين توجد وحدة التشتت ، والتي تُستخدم لمعالجة الفوتون الكيوبت. الكرات الموجودة في الأعلى ، والتي تسمى “كرات بلوخ” ، تمثل الحالة الرياضية للذرة وأحد الفوتونات. لأن الذرة والفوتون متشابكان ، فإن التلاعب بالذرة يؤثر أيضًا على حالة الفوتون. الائتمان: بن بارتليت
لحسن الحظ ، هذه المكونات موجودة بالفعل وهي متوفرة تجاريًا. يتم أيضًا تحسينها باستمرار نظرًا لاستخدامها حاليًا في تطبيقات أخرى غير الاحصاء الكمية. على سبيل المثال ، كانت شركات الاتصالات تسعى جاهدة منذ سنوات لتحسين كابلات الألياف الضوئية والمفاتيح الضوئية.
قال شانهوي فان ، البروفيسور جوزيف وهون ماي جودمان من كلية الهندسة والمؤلف الرئيسي للمقال: “ما نقترحه هنا يبني على الجهود والاستثمارات التي بذلها الناس لتحسين هذه المكونات”. “هذه ليست مكونات جديدة على وجه التحديد للحوسبة الكمومية.”
تصميم أصلي
يتكون تصميم العلماء من قسمين رئيسيين: حلقة تخزين ووحدة نثر. حلقة التخزين ، التي تعمل بشكل مشابه لذاكرة الكمبيوتر العادية ، عبارة عن حلقة من الألياف الضوئية تحتوي على عدة فوتونات تنتقل حول الحلقة. بشكل مشابه للبتات التي تخزن المعلومات في جهاز كمبيوتر تقليدي ، في هذا النظام ، يمثل كل فوتون بت كمي ، أو “كيوبت”. يحدد اتجاه حركة الفوتون حول حلقة التخزين قيمة الكيوبت ، والتي ، مثل بعض الشيء ، يمكن أن تكون 0 أو 1. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأن الفوتونات يمكن أن توجد في وقت واحد في حالتين في وقت واحد ، يمكن للفوتون الفردي أن يتدفق في كلا الاتجاهين في نفس الوقت. ، والتي تمثل قيمة تتكون من مزيج من 0 و 1 في نفس الوقت.
اقترح بن بارتليت ، طالب الدراسات العليا بجامعة ستانفورد ، وشانهوي فان ، أستاذ الهندسة الكهربائية ، تصميمًا أبسط لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية باستخدام المكونات المتاحة بسهولة. الائتمان: بإذن من بن بارتليت / رود سيسيسي
يمكن للباحثين معالجة الفوتون عن طريق توجيهه من حلقة التخزين إلى وحدة الانتثار ، حيث ينتقل إلى تجويف يحتوي على ذرة واحدة. ثم يتفاعل الفوتون مع الذرة ، مما يتسبب في تشابك الاثنين ، وهي ظاهرة كمومية يمكن لجسيمين من خلالها التأثير على بعضهما البعض حتى على مسافات كبيرة. ثم يعود الفوتون إلى حلقة التخزين ويغير الليزر حالة الذرة. لأن الذرة والفوتون متشابكان ، فإن معالجة الذرة تؤثر أيضًا على حالة الفوتون المقترن بها.
قال بارتليت: “بقياس حالة الذرة ، يمكنك نقل عمليات الفوتون عن بعد”. “لذلك نحن بحاجة فقط إلى كيوبت ذري واحد يمكن التحكم فيه ويمكننا استخدامه كبديل للتلاعب غير المباشر بجميع الفوتونات الكيوبتات الأخرى.”
نظرًا لأنه يمكن تجميع أي بوابة منطقية كمومية في سلسلة من العمليات التي يتم إجراؤها على الذرة ، يمكنك ، من حيث المبدأ ، تشغيل أي برنامج كمي من أي حجم باستخدام كيوبت ذري واحد يمكن التحكم فيه. لتشغيل برنامج ، تتم ترجمة الكود إلى سلسلة من العمليات التي توجه الفوتونات إلى وحدة التشتت وتتلاعب بالكيوبت الذري. نظرًا لأنه يمكنك التحكم في طريقة تفاعل الذرة والفوتونات ، يمكن للجهاز نفسه تنفيذ العديد من البرامج الكمومية المختلفة.
قال بارتليت: “بالنسبة للعديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية ، فإن البوابات عبارة عن هياكل مادية تمر الفوتونات من خلالها ، لذلك إذا كنت تريد تغيير البرنامج الحالي ، فعادةً ما ينطوي ذلك على إعادة تكوين الأجهزة ماديًا”. “بينما في هذه الحالة لا تحتاج إلى تغيير الأجهزة – ما عليك سوى إعطاء الجهاز مجموعة مختلفة من التعليمات. “
المرجع: “حساب كمومي فوتوني محدد في بُعد زمني اصطناعي” بقلم بن بارتليت وأفيك دت وشانهوي فان ، 29 نوفمبر 2021 ، بصري.
DOI: 10.1364 / OPTICA.424258
باحث ما بعد الدكتوراه بجامعة ستانفورد ، أفيك دوت ، هو أيضًا مؤلف مشارك لهذه المقالة. فان هو أستاذ في الهندسة الكهربائية ، وعضو في Stanford Bio-X ومنتسب إلى معهد بريكورت للطاقة.
تم تمويل هذا البحث من قبل وزارة الدفاع الأمريكية ومكتب البحث العلمي التابع لسلاح الجو الأمريكي.
