پژوهش تازهای از دانشگاه استنفورد دقیقاً روی همین گلوگاه دست گذاشته و راهحلی عملی برای آن پیشنهاد میدهد.
مسئلهای که رشد رایانههای کوانتومی را کند کرده بود
در یک رایانه کوانتومی، کیوبیتها واحدهای پایه اطلاعات هستند. هرچه تعداد آنها بیشتر باشد، توان محاسباتی سیستم بهصورت تصاعدی افزایش پیدا میکند. مشکل اینجاست که در اغلب معماریهای فعلی، خواندن وضعیت کیوبیتها بهصورت تکی انجام میشود. این روش برای چند ده یا چند صد کیوبیت قابل مدیریت است اما وقتی صحبت از هزاران یا میلیونها کیوبیت میشود، عملاً به یک مانع جدی تبدیل میشود.
به گفته پژوهشگران دانشگاه استنفورد، تا امروز راهحل عملی و مقیاسپذیری برای خواندن همزمان اطلاعات از تعداد زیادی کیوبیت وجود نداشته است؛ موضوعی که مستقیماً سرعت و کارایی رایانههای کوانتومی را محدود میکرد.
ایده جدید استنفورد چیست؟
تیم پژوهشی استنفورد نوع جدیدی از «حفره نوری» طراحی کردهاند که برای به دام انداختن تکفوتونهای گسیلشده از اتمهای منفرد ساخته شده است. این اتمها همان عناصری هستند که کیوبیتهای کوانتومی را ذخیره میکنند.
نوآوری اصلی اینجاست که این سامانه، برای نخستین بار امکان خواندن اطلاعات از همه کیوبیتها بهصورت همزمان را فراهم میکند. پژوهشگران یک آرایه آزمایشی شامل ۴۰ حفره نوری ساختهاند که هرکدام یک کیوبیت اتمی را نگه میدارند. نتایج این آزمایش نشان میدهد این معماری میتواند بهصورت واقعبینانه تا مقیاس شبکههایی با صدها هزار یا حتی یک میلیون کیوبیت گسترش پیدا کند.
چرا تمرکز روی نور و حفره نوری مهم است؟
در بسیاری از طرحهای قبلی، استخراج اطلاعات کوانتومی به بازتابهای متعدد نور متکی بود. تیم استنفورد مسیر متفاوتی را انتخاب کرده است. آنها از ریزعدسیهایی درون هر حفره استفاده کردهاند تا نور را با دقت بالا روی یک اتم منفرد متمرکز کنند.
این روش اگرچه بازتابهای کمتری دارد اما بهگفته پژوهشگران، برای استخراج اطلاعات کوانتومی بسیار مؤثرتر است. به بیان ساده، نور کمتر هدر میرود و اطلاعات سریعتر و دقیقتر خوانده میشود.
چرا این پیشرفت یک نقطه عطف محسوب میشود؟
جان سایمون، نویسنده ارشد این مطالعه و استاد فیزیک دانشگاه استنفورد، به نکته کلیدی اشاره میکند: اگر قرار باشد رایانه کوانتومی واقعاً ساخته شود، باید بتوان اطلاعات را از کیوبیتها با سرعت بالا و در مقیاس بزرگ خواند. این دقیقاً همان جایی است که اغلب طرحها تا امروز متوقف شده بودند.
آدام شاو، پژوهشگر همکار این پروژه نیز توضیح میدهد که معماری جدید حفرههای نوری میتواند راه را برای ساخت رایانههای کوانتومی توزیعشده هموار کند؛ سامانههایی که نهتنها سریعتر هستند بلکه میتوانند با نرخ داده بسیار بالاتری با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
از آزمایشگاه تا شبکههای کوانتومی
کارشناسان معتقدند برای اینکه رایانههای کوانتومی بتوانند از قدرتمندترین ابررایانههای امروزی پیشی بگیرند، به میلیونها کیوبیت نیاز دارند. رسیدن به چنین عددی احتمالاً با ساخت یک دستگاه واحد ممکن نیست بلکه به اتصال چندین رایانه کوانتومی کوچکتر در قالب شبکههای بزرگتر نیاز دارد.
دستاورد استنفورد دقیقاً در همین نقطه معنا پیدا میکند. وقتی خواندن همزمان اطلاعات از کیوبیتها ممکن شود، اتصال این سامانهها به شبکههای کوانتومی گستردهتر هم عملیتر خواهد شد.
جمعبندی
پژوهش دانشگاه استنفورد صرفاً یک پیشرفت فنی در طراحی حفرههای نوری نیست بلکه پاسخی است به یکی از بنیادیترین چالشهای رایانش کوانتومی. اگر این معماری در مقیاس بزرگ عملی شود، مسیر ساخت رایانههای کوانتومی میلیونکیوبیتی و شبکههای کوانتومی فوقسریع بسیار هموارتر از گذشته خواهد بود.
به زبان ساده، این دستاورد نشان میدهد فاصله بین وعدههای نظری رایانش کوانتومی و کاربردهای واقعی آن، یک قدم دیگر کمتر شده است.
