طراحی شبیه‌ساز کوانتومی با ۵۱ اتم توسط دانشمندان MIT

فیزیکدانان دانشگاه هاروارد و مؤسسهٔ MIT روشی جدید را جهت دستکاری بیت‌های کوانتومی ماده ارائه دادند. در مقاله‌ای که در مجلهٔ «نیچر» منتشر شد، آن‌ها اولین به دام‌اندازی (تله) را با استفاده از سیستم لیزری‌های تنظیم‌شده گزارش نمودند و سپس برهم‌کنش‌ها ۵۱ اتم منفرد یا بیت‌های کوانتومی را بهبود دادند.

شبیه‌ساز کوانتومی

نتایج کار گروه یکی از بزرگ‌ترین آرایه‌های بیت کوانتومی است که به نام «کوبیت» شناخته می‌شود و دانشمندان توانسته‌اند آن را به طور مستقل کنترل نمایند. در همین شماره از مجلهٔ «نیچر» تیمی از دانشگاه مریلند با استفاده از یون‌های به‌دام‌افتاده، سیستم مشابهی را به عنوان «بیت‌های کوانتومی» معرفی کرده‌اند.

در رویکرد تیم هاروارد-ام‌آی‌تی، محققان زنجیره‌ای از ۵۱ اتم را ایجاد و برنامه‌ریزی کرده‌اند که اطراف یک انتقال فاز کوانتومی قرار می‌گیرند، به شکلی که هر اتم در اتم دیگر زنجیر شده‌است. این الگو حالت مغناطیسی شناخته‌شده‌ای تحت عنوان آنتی‌فرومغناطیس را شبیه‌سازی می‌کند که در آن چرخش (اسپین) هر اتم یا مولکول دیگری هم‌تراز شده‌است.

این تیم آرایهٔ ۵۱ اتمی را به عنوان کامپیوتر کوانتومی ناکاملی شرح داده‌اند که به لحاظ تئوری قادر به حل هر گونه مشکل محاسباتی برای آن است. اما «شبیه‌ساز کوانتومی» سیستم بیت‌های کوانتومی است که می‌تواند برای شیبه‌سازی یک مشکل خاص یا حل معادله‌ای خاص، بسیار سریع‌تر از سریع‌ترین کامپیوتر کلاسیک طراحی شده‌است.

به عنوان مثال تیم می‌تواند الگوی اتم‌ها را مجدداً توسط شبیه‌ساز شکل دهد و حالت‌های جدید ماده و پدیده‌های کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی را مطالعه نماید. شبیه‌ساز کوانتومی جدید همچنین می‌تواند برای حل مشکلات بهینه‌سازی همچون مسئلهٔ فروشندهٔ دوره‌گرد که در آن فروشندهٔ نظری باید کوتاه‌ترین مسیر را برای بازدید از یک لیست مشخص از شهرها بیابد، به کار رود. تغییرات جزئی این مسئله در بسیاری از زمینه‌های تحقیق دیگر مانند توالی DNA، حرکت نوک سیستم لحیم‌کاری اتوماتیک به نقاط دیگر یا مسیریابی داده‌ها از طریق پردازش گره‌ها  ظاهر می‌شود.

مطالعهٔ همکار نویسنده ولدان ولتیک، لستر ولف استاد فیزیک دانشگاه MIT می‌گوید:

این مشکل به طور رایج برای یک کامپیوتر کلاسیک دشوار است، بدین معنی که می‌تواند این مورد را برای بسیاری از شهرها حل کند، اما اگر بخواهیم شهرهای بیشتری را اضافه کنیم بسیار دشوارتر، بسیار سریع‌تر می‌شود. برای این نوع مشکلات، به کامپیوتر کوانتومی نیاز نیست. یک شبیه‌ساز جهت شبیه‌سازی صحیح سیستم کافی است. بنابراین گمان می‌کنیم این الگوریتم‌های بهینه‌سازی، ابزارهای ساده‌ای برای رسیدن به این مقصود هستند.

این کار با همکاری استادان دانشگاه هاروارد، میخائیل لوکین و مارکوس گرینر انجام شد؛ سیلوین شوارتز از MIT این تیم را همراهی نمود.

منفک اما تعاملی

کامپیوترهای کوانتومی عمدتاً ابزارهای نظری هستند که می‌توانند بطور بالقوه محاسبات بسیار پیچیده برای کامپیوترهای بسیار قدرتمند جهان را در کسری از زمان انجام دهند. آن‌ها این عمل را از طریق کوبیت‌ها (qubit) انجام می‌دهند. کوبیت‌ها واحد پردازش داده‌هایی می‌باشد که برخلاف بیت‌های دوتایی (دودویی) کامپیوترهای کلاسیک می‌تواند به صورت همزمان در موقعیت ۰ و ۱ باشد. این ویژگی کوانتومی برهم‌نهی (superposition) امکان می‌دهد تا یک کوبیت منفرد همزمان دو جریان مجزا از محاسبات را انجام دهد. افزودن کوبیت‌های اضافی به یک سیستم می‌تواند به صورت غیرمستقیم سرعت محاسبات کامپیوتری را افزایش دهد.

اما موانع عمده‌ای مانع از دستیابی دانشمندان به یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً عملیاتی شده‌است. یکی از چالش‌های این‌چنینی چگونگی گرفتن کوبیت‌ها برای برقراری ارتباط با یک‌دیگر است، در حالی که با محیط پیرامون خود ارتباط برقرار نکنند.

ولتیچ، عضو آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک مرکز ام‌آی‌تی-هاروارد در حوزهٔ اتم‌های سرد، می‌گوید:

می‌دانیم که مسائل هنگامی که با محیط ارتباط برقرار می‌کنند، بسیار ساده به نظر می‌رسند. بنابراین نیاز به کوبیت‌های به شدت مجزا داریم. از سوی دیگر، آن‌ها با تعاملات قوی با سایر کوبیت‌ها نیاز دارند.

برخی از گروه‌ها سیستم‌های کوانتومی را با یون‌ها یا اتم‌های شارژشده، به عنوان کوبیت ایجاد می‌کنند. آن‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی یون‌ها را محصور یا جدا می‌کنند. یونی که یک بار به دام افتاده‌است، بسیار قوی با دیگران برهم‌کنش می‌دهد؛ اما بسیاری از این برهم‌کنش‌ها به شدت دفع می‌شوند مانند مغناطیسی که توسط جهت‌گیری‌های مشابه ایجاد می‌شود. بنابراین کنترل آن‌ها به ویژه در سیستم‌های با یون‌های زیاد، دشوار است.

سایر محققان در حال آزمایش کوبیت‌های ابررسانایی هستند که به صورت کوانتومی رفتار می‌کنند؛ اما ولیچ می‌گوید چنین کوبیت‌هایی در مقایسه با کوبیت‌های ساخته‌شده بر اساس اتم‌های واقعی، معایبی دارند.

ولیچ می‌گوید:

با این تعاریف هر اتم مشابه اتم دیگر از گونه‌های مشابه است. اما هنگامی که توسط دست ساخته می‌شوند، تحت تأثیراتی همچون فرکانس‌های مختلف انتقال، جفت شدن و غیره قرار دارند.

تنظیمات به دام افتادن

ولیچ و همکارانش با استفاده از اتم‌های خنثی (اتم‌هایی که فاقد بار الکتریکی هستند) روش سومی را تحت عنوان کوبیت‌ها، برای ساخت سیستم کوانتومی ارائه دادند. بر خلاف یون‌ها اتم‌های خنثی یک‌دیگر را دفع نمی‌کنند و بر خلاف کوبیت‌های ابررسانایی ساخته‌شده، خواص ذاتی یکسانی دارند.

در کار قبلی، گروه مسیری را برای به دام انداختن اتم‌های منفرد با استفاده از پرتو لیزر برای خنک‌سازی اولیهٔ ابر اتم‌های روبیدیوم تا نزدیک دمای صفر مطلق، کاهش دادن سرعت حرکت آن‌ها تا نزدیک به نقطهٔ توقف ابداع نمود. سپس آن‌ها لیزر دومی را که به بیش از ۱۰۰ پرتو تقسیم می‌شود، برای به دام انداختن و حفظ اتم‌های منفرد در محل به کار بردند. آن‌ها قادر به مشاهدهٔ تصویر ابری پرتوهای لیزری هستند که اتم را به دام انداخته‌اند و می‌توانند پرتوهای خاصی را برای حذف دام‌های بدون اتم خاموش کنند. سپس تمام دام‌های حاوی اتم را برای ایجاد، آرایش منظم و بی‌نقص کوبیت‌ها، مجدداً سازمان‌دهی نمایند.

با استفاده از این تکنیک، محققان قادر به ساخت زنجیرهٔ کوانتومی ۵۱ اتمی شده‌اند که تمام آن‌ها در حالت پایه یا پایین‌ترین سطح انرژی به دام افتاده‌اند.

گروه در گزارش جدید خود بیان می‌کند که گامی به جلو برداشته شده‌است. برای کنترل برهم‌کنش‌های این ۵۱ اتم به‌دام‌افتاده گام بعدی مورد نیاز دستکاری کوبیت‌ها به صورت مجزا است. برای انجام این کار آن‌ها موقتاً فرکانس‌های لیزری را که در ابتدا اتم را به دام انداخته‌اند، خاموش کردند و به سیستم کوانتومی تکاملی دست یافتند.

سپس جهت آزمایش سیستم کوانتومی در حال تحول را در معرض لیزر لایهٔ سوم قرار دادند و اتم‌ها را که به عنوان حالت ریبرگ شناخته می‌شود، خارج نمودند. حالت ریبرگ حالتی است که الکترون‌های اتم‌ها به سطح انرژی بالاتری در مقایسه با حالت پایه برانگیخته می‌شوند. درنهایت پرتوهای لیزر به‌دام‌انداز اتم‌ها را برای شناسایی حالت نهایی اتم‌های مجزا خاموش کردند.

ولیچ بیان می‌کند:

اگر تمام اتم‌ها از حالت پایه آغاز شوند، هنگام تلاش برای قرارگیری آن‌ها در حالت برانگیخته، خاموش می‌شوند.» بنابراین اتم‌ها برای چیزهای با خصوصیت آنتی‌فرومغناطیسی مشابه انتقال فاز کوانتومی ایجاد می‌کنند.

این انتقال در هر اتم رخ می‌دهد به دلیل این‌که اتم‌های ریدبرگ به شدت با یک‌دیگر برهم‌کنش می‌دهند و نسبت به پرتو لیزر انرژی بیشتری را برای برانگیختن دو اتم مجاور حالت ریدبرگ فراهم می‌سازند.

ولیچ همچنین می‌گوید:

محققان می‌توانند تعاملات میان اتم‌ها، همچون فرکانس یا رنگ پرتو لیزر اتم برانگیخته را با تغییر چیدمان اتم‌های به‌دام‌افتاده تغییر دهند. علاوه بر این، این سیستم به آسانی قابل توسعه است. گمان می‌کنیم که می‌توانیم مقیاس آن را تا چندصد اتم افزایش دهیم. با توجه به این‌که سیستم سعی در شبیه‌سازی دارد، اگر می‌خواهید از این سیستم به عنوان کامپیوتر کوانتومی استفاده کنید، این کار برای حدود ۱۰۰ اتم جالب می‌شود.

در حال حاضر محققان به ویژه در حوزهٔ بهینه‌سازی مسائل، با استفاده از محاسبات کوانتومی آدیاباتیک در حال برنامه‌ریزی برای آزمایش سیستم ۵۱ اتمی به عنوان شبیه‌ساز کوانتومی هستند. محاسبات کوانتومی آدیاباتیک شکلی از محاسبات کوانتومی هستند که اولین بار توسط ادوارد فارحی استاد فیزیکMIT  ارائه شد.

محاسبات کوانتومی آدیاباتیک پیشنهاد می‌کند که حالت پایهٔ یک سیستم کوانتومی راه‌حل مشکل را توصیف می‌کند. هنگامی که این سیستم برای بسط مشکل به کار می‌رود، حالت نهایی سیستم می‌تواند راه حل را تأیید کند.

می‌توانید با آماده‌سازی سیستم در حالت ساده شروع کنید و حالت با پایین‌ترین سطح انرژی، برای مثال تمامی اتم‌ها در حالت پایه را شناسایی کنید. سپس به آرامی آن را تغییر دهید تا مشکل (برای مثال مسئلهٔ فروشندهٔ دوره‌گرد) را حل کند.

ولیچ می گوید:

این روش تغییر آهسته برخی پارامترها در سیستم است، دقیقاً همان چیزی که در این آزمایش انجام می‌دهیم. بنابراین سیستم ما مسائل محاسباتی کوانتومی آدیاباتیک را می‌پوشاند.

این تحقیق به طور مشخص توسط بنیاد ملی علوم، دفتر تحقیقات ارتش و دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی پشتیبانی شد.

درباره نویسنده