شبیه‌سازی فرآیند ساخت پادماده با یک کامپیوتر کوانتومی

یک تیم از دانشمندان فیزیک برای اولین بار از یک دستگاه کوانتومی ساده برای مدل‌سازی یک آزمایش در مقیاس انرژی‌های سطح بالا استفاده کردند. محققان موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی واقع در آکادمی علوم اتریش موفق شدند از یک کامپیوتر کوانتومی برای ساخت فرآیند شبیه‌سازی جفت ماده و پادماده استفاده کنند. این نوع از محاسبات بسیار پیچیده بوده و کامپیوترهای عادی امروزی از حل بسیاری از این محاسبات ناتوان هستند. کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با کامپیوترهای عادی بسیار سریع‌تر عمل می‌کنند. به دلیل این‌که آن‌ها از قابلیت‌های مکانیک کوانتوم بهره می‌برند. کامپیوترهای کلاسیک از بیت‌ها استفاده کرده و فرض را بر این می‌گذارند که بیت‌ها در یک وضعیت صفر یا یک قرار می‌گیرند. در حالی که در کامپیوترهای کوانتومی کیوبیت‌ها یکی از دو وضعیت صفر، یک یا انطباقی از دو وضعیت را به خود می‌گیرند. یک کیوبیت، یک سیستم کوانتومی دو حالتی است، یعنی سیستمی که توسط مکانیک کوانتومی به درستی قابل توصیف است و هنگام اندازه‌گیری، یکی از دو حالت قطبی را در یک فوتون به خود اختصاص می‌دهد.

مطلب پیشنهادی

رمزنگاری کوانتومی قابل شکستن است

آیا محاسبات مبتنی بر رایانش کوانتومی بدون رقیب هستند؟

در یک سیستم کلاسیک، هر بیت در هر لحظه یکی از مقادیر صفر یا یک را می‌تواند به خود اختصاص دهد. قوانین مکانیک کوانتومی به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهند که در همان حال، حالتی را برابر با برهم نهی در دو حالت اصلی اختیار کنند، این همان نقطه‌ای است که پردازش‌های کوانتومی قدرت خاص خود را نشان می‌دهند. فوتون در دنیای فیزیک، یک ذره بنیادی محسوب می‌شود که به عنوان یک واحد کوانتومی نور یا هر نوع تابش الکترومغناطیسی شناخته می‌شود. یک فوتون را می‌توان نماینده حامل‌های نیرو برای نیروی الکترومغناطیسی در نظر گرفت.  اثری که یک فوتون وارد می‌کند هم در سطح ماکروسکپی و هم در سطح میکروسکپی قابل مشاهده است. به عبارت ساده و خلاصه نشان‌دهنده ویژگی دوگانگی ذره و موج است.

این تیم از سیستمی استفاده کردند که در آن چهار یون کلسیم با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیس به دام افتاده بودند و رفتاری همانند کیوبیت‌ها از خود نشان می‌دادند. ( تقریبا سه ماه پیش بود که دانشمندان آلمانی موفق به ساخت اولین موتور تک اتمی در جهان شدند. این موتور تک اتمی در مقیاس اتم بود و تنها از یک یون کلسیم استفاده می‌کرد.) این کیوبیت‌ها‌ عملیات منطقی را تحت کنترل پالس‌‌های لیزری انجام می‌دادند. بر مبنای نوسانات کوانتومی (quantum fluctuations) که یک تغییر موقتی، انرژی در نقطه‌ای از فضا/زمان به وجود می‌آورد و اجازه اندازه‌گیری جفت‌های مجازی ذره و پادذره را می‌دهد، تیم موفق شدند نتایج ریاضی که در طول این آزمایش به آن‌ها نشان داده شده بود را خوانده و آگاه شوند آیا ذره و پادذره در طول یک شبیه‌سازی ساخته می‌شوند یا خیر.

در این مدل شبیه‌سازی، نتایج به دست آمده از محاسبات به اندازه‌ کافی ساده بودند که توسط کامپیوترهای کلاسیک مورد تایید قرار بگیرند. این تیم از دانشمندان بر این باور هستند که اگر این دستگاه کوانتومی مقیاسش بزرگ‌تر شود به آن‌ها این توانایی را می‌دهد تا به بررسی مشکلاتی بپردازند که ورای قدرت سیستم‌های محاسباتی امروزی قرار دارد. درک ستاره‌های نوترونی یا مدل‌سازی نیروی به وجود آمده در شکاف اتمی از جمله این موارد هستند. با این حال گسترش‌پذیری سخت‌افزار فرآیندی است که سر راست نبوده و به سرعت تکمیل نمی‌شود. قدرت بیشتر به معنای تعداد کیوبیت‌های بیشتر است. با این وجود متصل و مرتبط کردن تعداد کافی ذره به یکدیگر و همچنین حفظ حالت کوانتومی آن‌ها فرآیندی دشوار است. شرکت کانادایی D-wave ادعا می‌کند یک کامپیوتر کوانتومی را با بیش از 1000 کیوبیت ساخته است. اما حرف و حدیث‌های بسیاری بر سر این‌که آیا این سیستم واقعا یک رفتار کوانتومی از خود نشان می‌دهد یا خیر وجود دارد. در این میان شرکت‌های بزرگ، استارت‌آپ‌های کوچک و دانشگاه‌ها همگی در تلاش هستند تا معمای دستیابی به کیوبیت‌های بیشتر را با کمک یکدیگر حل کنند. زمانی که آن‌ها این‌کار را انجام دهند ما دست کم آگاه خواهیم شد که آیا فیزیک‌دانان این توانایی را دارند از این دستگاه‌ها استفاده کنند یا خیر.

بیشتر محققان امیدوار هستند کامپیوترهای کوانتومی آینده برای حل مشکلاتی اساسی مورد استفاده قرار گیرند. این ماشین‌ها که هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارند، این پتانسیل را دارند تا از فیزیک اشیا که می‌تواند در یک لحظه چند وضعیت را به خود بگیرد، بهره‌برداری کنند. کدگشایی اطلاعات در کیوبیت‌ها به جای استفاده از بیت‌های کلاسیک که وضعیت روشن/خاموش را به خود می‌گیرند عامل توان‌مندی‌ها آن‌ها است. به‌طور کلی یک کامپیوتر کوانتومی با n کیوبیت در یک مدار انطباق یافته می‌تواند 2 به توان n وضعیت مختلف را به‌طور همزمان داشته باشد که بر خلاف کامپیوترهای رایج امروزی است که 2 به توان n حالت را می‌توانند داشته باشند، اما در یک لحظه فقط می‌توانند در یک وضعیت قرار داشته باشند، عمل می‌کنند. جالب آن‌که کامپیوترهای کوانتومی که از تعداد انگشت‌شماری کیوبیت ساخته می‌شوند، این توانایی را دارند تا به‌طور همزمان محاسبات بسیاری را انجام داده و وظایف خاص نمایی را سریع‌تر از یک کامپیوتر معمولی تکمیل کنند.