اخبار کوانتومی – نشان دادن خوانش نوری برای کیوبیت‌های ابررسانا

عنوان خبر: نشان دادن خوانش نوری برای کیوبیت های ابررسانا
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، اپتیک کوانتومی، کیوبیت ابررسانا

تاریخ انتشار خبر: 11 فوریه 2025
لینک خبر: rigetti.com

چکیده:

محققان از QphoX، Rigetti Computing و Qblox یک تکنیک نوآورانه خوانش اپتیکی (optical readout) برای حل مشکلات مقیاس‌پذیری #پردازنده‌های_کوانتومی_ابررسانا توسعه داده‌اند. این روش از یک مبدل پیزو-اپتومکانیکی برای تبدیل سیگنال‌های مایکروویو از کیوبیت‌ها به سیگنال‌های نوری استفاده می‌کند که می‌توانند از طریق فیبرهای نوری منتقل شوند، که منجر به کاهش بار حرارتی و آزادسازی فضای کرایوژنیک می‌شود. مطالعه آنها که در Nature Physics منتشر شده، فیدلیتی خوانش اپتیکی 81% را به دست آورده است که قابل مقایسه با تکنیک‌های سنتی مایکروویو است و در عین حال از ناهمدوسی کاسته است. این پیشرفت می‌تواند زیرساخت‌های سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را به طور چشمگیری ساده کند و جایگزین کابل‌های مایکروویو متعدد با یک فیبر نوری واحد شود. گرچه بهبودهای بیشتری مورد نیاز است، این کار گامی حیاتی به سوی پردازنده‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر است.

شرح کامل خبر:

پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا که به دلیل عملکرد پیشرفته خود در رایانش کوانتومی شناخته می‌شوند، با چالش بزرگی در مقیاس‌پذیری مواجه‌اند که ناشی از پیچیدگی‌های زیرساخت‌های کرایوژنیک مورد نیاز برای کنترل و خواندن کیوبیت‌ها است. با افزایش تعداد کیوبیت‌ها در سیستم‌های کوانتومی، تعداد اجزای مایکروویو مانند کابل‌های کواکسیال (coaxial cables)، تقویت‌کننده‌ها و سایر اجزای مورد استفاده در دماهای کرایوژنیک (زیر 10 میلی‌کلوین) نیز افزایش می‌یابد. نیاز فعلی به مقادیر زیاد این اجزا باعث تولید گرمای زیاد و محدود شدن فضای موجود در یخچال‌های رقیق‌سازی می‌شود. این مشکل زیرساختی یک گلوگاه اساسی برای مقیاس‌پذیری پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا فراتر از سیستم‌های کنونی با صدها کیوبیت است.

یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی برای حل این مشکل مقیاس‌پذیری، جایگزینی سیستم‌های سیم‌کشی مبتنی بر مایکروویو با فیبرهای نوری است که رسانایی حرارتی کمتری دارند و فضای کمتری را اشغال می‌کنند. با این حال، کیوبیت‌ها معمولاً با سیگنال‌های مایکروویو خوانده می‌شوند، بنابراین نیاز به یک مکانیزم قابل اعتماد برای تبدیل این سیگنال‌ها به سیگنال‌های نوری وجود دارد. اینجاست که تلاش تحقیقاتی مشترک از QphoX، Rigetti Computing و Qblox، که در Nature Physics منتشر شده، یک راه‌حل نوآورانه را معرفی می‌کند.

تیم تحقیقاتی یک فناوری تبدیل مایکروویو به اپتیک با استفاده از مبدل پیزو-اپتومکانیکی (microwave-to-optics transduction) توسعه داد. این مبدل فوتون‌های مایکروویو که از کیوبیت‌های ابررسانا منتشر می‌شوند را به فوتون‌های نوری تبدیل می‌کند که سپس می‌توانند از طریق فیبرهای نوری منتقل شوند. این تبدیل امکان استفاده از فیبرهای نوری به جای کابل‌های مایکروویو حجیم را فراهم می‌آورد و به‌طور مؤثر بار حرارتی را کاهش داده و فضای حیاتی کرایوژنیک را آزاد می‌کند. روش آنها که با موفقیت در آزمایشگاه آزمایش شد، شامل اتصال یک کیوبیت ترانسمن ابررسانا به این مبدل نوری بود که امکان اندازه‌گیری وضعیت کیوبیت از طریق فیبر نوری را فراهم می‌کرد. این مطالعه فیدلیتی خوانش اپتیکی 81% را به دست آورد که هرچند هنوز به عملکرد روش‌های سنتی مایکروویو نمی‌رسد، نشان می‌دهد که این روش نوری می‌تواند در سطحی قابل مقایسه عمل کند و پتانسیل بهبود بیشتر را دارد.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که مبدل پیزو-اپتومکانیکی نه تنها تبدیل را به‌طور مؤثر انجام می‌دهد، بلکه ناهمدوسی را نیز کاهش می‌دهد. ناهمدوسی پدیده‌ای است که در آن سیستم‌های کوانتومی به دلیل تداخل محیطی حالت کوانتومی خود را از دست می‌دهند و یکی از چالش‌های عمده در رایانش کوانتومی است. کاهش موفق ناهمدوسی از طریق خواندن نوری نشان می‌دهد که این تکنیک ممکن است نویز حرارتی و فوتون‌های نوری سرگردانی که می‌توانند عملیات کیوبیت‌ها را مختل کنند کاهش دهد.

پیامدهای این کار قابل توجه است. با انتقال پردازش سیگنال از سیستم‌های مبتنی بر مایکروویو به سیستم‌های نوری، پردازنده‌های کوانتومی می‌توانند به‌طور مؤثرتری مقیاس‌پذیر شوند. فیبرهای نوری می‌توانند سیگنال‌ها را با بار حرارتی بسیار کمتری حمل کنند و می‌توانند به‌طور فشرده چندگانه شوند، به این معنی که فیبرهای کمتری برای حمل چندین سیگنال نیاز است. این منجر به کاهش زیرساخت‌های کرایوژنیک کلی می‌شود که منجر به طراحی‌های ساده‌تر و فشرده‌تر پردازنده‌های کوانتومی می‌شود. کاهش بار حرارتی همچنین امکاناتی برای یخچال‌های رقیق‌سازی کارآمدتر و با فضای محدودتر فراهم می‌کند.

این پیشرفت برای مقیاس‌پذیری بلندمدت رایانه‌های کوانتومی ابررسانا اهمیت زیادی دارد. دکتر تیری ون تیل از QphoX، مهندس ارشد کوانتومی این پروژه، تأکید کرد که فناوری تبدیل مایکروویو به اپتیک اکنون در آستانه تبدیل شدن به یک گزینه قابل اجرا برای ارتباط با کیوبیت‌های ابررسانا است. این فناوری وعده می‌دهد که زیرساخت‌های کنترل و خواندن مورد نیاز برای سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر را به‌طور قابل توجهی ساده کند.

از نظر تأثیر عملی، شرکت‌هایی مانند Rigetti Computing که در حال توسعه راه‌حل‌های رایانش کوانتومی کامل هستند، این تحقیق را گامی مهم به سوی ایجاد معماری‌های مدولار رایانش کوانتومی می‌بینند. دکتر سوبود کولکاری، مدیرعامل Rigetti، اظهار داشت که این نوآوری پتانسیل پردازش سیگنال‌های کیوبیت کارآمد و توانایی ادغام فناوری‌های نوظهور را نشان می‌دهد که به هدف محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا نزدیک‌تر می‌شود.

اگرچه این مطالعه نقطه عطف مهمی است، هنوز چالش‌هایی برای غلبه بر آنها وجود دارد. فیدلیتی خوانش اپتیکی باید بیشتر بهبود یابد تا با روش‌های مبتنی بر مایکروویو هم‌سطح یا برتر شود. علاوه بر این، عملکرد نویز و ادغام سیستم‌های نوری با سخت‌افزارهای کوانتومی موجود هنوز نیاز به بهبود دارد. با این حال، این کار زیرساخت لازم برای یک رویکرد جدید در پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا را فراهم می‌آورد که می‌تواند چشم‌انداز محاسبات کوانتومی را با غلبه بر محدودیت‌های زیرساخت‌های کرایوژنیک کنونی دگرگون کند. با بهبود کارایی تبدیل پیزو-اپتومکانیکی، این تکنیک خوانش نوری می‌تواند راه را برای نسل بعدی رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر هموار کند.

در نتیجه، فناوری پیشنهادی تبدیل مایکروویو به اپتیک راه‌حلی امیدوارکننده برای مشکل مقیاس‌پذیری پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا است. این تحقیق درهای سیستم‌های کوانتومی کارآمدتر، فشرده‌تر و با مدیریت حرارتی بهتر را باز می‌کند که برای تحقق رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر ضروری است. بهبودهای بیشتر در فیدلیتی و کاهش نویز می‌تواند خوانش نوری را به یک راه‌حل اصلی برای فناوری‌های کوانتومی آینده تبدیل کند.

منابع:

[1] https://investors.rigetti.com/news-releases/news-release-details/research-qphox-rigetti-and-qblox-demonstrating-optical-readout

[2] https://www.nature.com/articles/s41567-024-02742-3

دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.