یک معماری جدید فوتون-اتم با درهم‌تنیدگی قطعی
عنوان خبر: یک معماری جدید فوتون-اتم با درهم‌تنیدگی قطعی
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی فوتونیکی، محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری
تاریخ انتشار خبر: 7 ژوئیه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
مطالعه جدیدی از Quantum Source و مؤسسه وایزمن، یک معماری قطعی و اتم‌محور را برای رفع محدودیت‌های مقیاس‌پذیری در محاسبات کوانتومی فوتونیکی معرفی کرده است. به‌جای اتکا به تداخل احتمالی فوتون‌ها، این طرح از اتم‌های منفرد روبیدیوم-۸۷ در رزوناتورهای نوری استفاده میکند تا فوتون‌های منفرد تولید و آن‌ها را از طریق گیت‌های SWAP و CZ با فیدلیتی بالا درهم‌تنیده کند. گره‌های مدولار میتوانند به‌عنوان منبع فوتون، گیت یا واحد اتصال‌دهنده عمل کنند تا حالت های گراف بزرگ، که برای محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری حیاتی‌اند، ساخته شوند. این سیستم با فوتون‌های طیفی مختلط هم عملکرد قابل‌اطمینانی دارد و فیدلیتی بیش از ۹۹.۶ درصد را در شرایط واقعی نشان میدهد. با واگذاری عملیات درهم‌تنیدگی به اتم‌ها، نیاز به نامتمایز بودن کامل فوتون‌ها از بین می‌رود و راه برای معماری‌های فوتونی مقیاس‌پذیر، مقاوم و قابل‌اجرا در دمای محیط هموار می‌شود.
شرح کامل خبر:
یکی از چالش‌های بزرگ محاسبات کوانتومی فوتونیکی، ماهیت احتمالی تولید و درهم‌تنیدگی فوتون‌ها است. در معماری‌های متداول، فوتون‌ها به‌طور طبیعی با هم برهم‌کنشی ندارند؛ به همین دلیل، درهم‌تنیدگی آن‌ها معمولاً از طریق تداخل کوانتومی در پرتوشکن ها و انتخاب پس از آن انجام می‌شود، که این فرآیند علاوه بر ناکارآمد بودن، نیازمند زیرساخت پیچیده، منابع نوری پرقدرت و آشکارسازهای بسیار حساس (اغلب در دماهای کرایوژنیک) است. این وابستگی به احتمال باعث می‌شود برای تولید یک جفت فوتون درهم‌تنیده موفق، گاهی هزاران تلاش ناموفق صورت گیرد. در مقیاس سیستم‌های بزرگ‌تر، که میلیون‌ها کیوبیت درهم‌تنیده برای تصحیح خطا نیاز است، این رویکرد عملاً از نظر فنی و اقتصادی پایدار نیست.
مطالعه‌ای مشترک از «Quantum Source» و «مؤسسه علوم Weizmann» این مشکل بنیادی را از زاویه‌ای متفاوت حل کرده است. در این معماری جدید، یک اتم روبیدیوم-۸۷ منفرد، که به یک رزوناتور نوری متصل است، نقش کلیدی را به‌عنوان «میانجی» ایفا میکند. این اتم هم به‌طور قطعی فوتون‌های منفرد تولید میکند و هم به‌عنوان «gatekeeper» یا رابط برای برقراری درهم‌تنیدگی بین فوتون‌ها عمل می‌نماید.
در این ساختار، دو گیت اصلی فوتون–اتم پیاده‌سازی می‌شود:
- گیت SWAP از طریق فرآیندی موسوم به «برهم‌کنش رامان تک‌فوتونی» (SPRINT) انجام می‌شود که در آن، فوتون کیوبیت اتمی را تغییر میدهد.
- گیت Controlled-Z (CZ) با ایجاد تغییر فاز شرطی بر اساس حالت اتمی اجرا می‌شود.
این عملیات در بازه‌های زمانی نانوثانیه انجام شده و به دلیل استفاده از گذارهای طیفی شناخته‌شده اتم روبیدیوم، نیاز مبرم به عدم تمایز فوتون را که روش‌های اپتیک خطی مرسوم را دچار مشکل میکند، از بین می‌برد.
نکته مهم دیگر این است که این سیستم می‌تواند وضعیت‌های گراف فوتونیکی را — که اساس محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری هستند — به‌طور مدولار و قطعی ایجاد کند. این فرآیند شامل دو گام کلیدی است: نخست، فوتون با کیوبیت اتمی درهم‌تنیده می‌شود و سپس حالت اتمی به فوتون دیگری منتقل (SWAP) می‌شود و ساختار درهم‌تنیدگی حفظ می‌شود. با تکرار این فرآیند در چند گره، می‌توان شبکه‌های بزرگ‌تر گرافی ساخت. در این مطالعه، پژوهشگران یک پروتکل شش‌گره‌ای برای تولید یک گراف حلقوی شش‌تایی (six-ring graph state) ارائه داده‌اند.
همچنین این معماری از روش «stitching» برای اتصال بخش‌های جداگانه شبکه استفاده میکند. برخلاف روش‌های مرسوم که به هم‌جوشی (fusion) فوتون‌ها از طریق آشکارسازی مخرب متکی هستند، در اینجا اتصال به‌صورت قطعی و غیرمخرب انجام می‌شود: فوتون‌های دو ماژول مجزا از طریق یک اتم واسطه درهم‌تنیده می‌شوند و سپس وضعیت اتمی مجدداً به فوتونی تازه منتقل می‌شود، که این کار همدوسی کوانتومی را حفظ میکند و نیاز به هم‌زمان‌سازی دقیق را از بین می‌برد.
مطالعات شبیه‌سازی نشان میدهد این گیت‌ها در شرایط واقعی و حتی با فوتون‌های طیفی نامرغوب، فیدلیتی فرآیندی بیش از ۹۹.۶ درصد برای SWAP و بیش از ۹۹.۸ درصد برای CZ ارائه می‌دهند. همچنین تولید فوتون منفرد با احتمال موفقیت بیش از ۹۹ درصد انجام می‌شود.
این معماری به‌صورت ذاتی مدولار و انعطاف‌پذیر طراحی شده است: گره‌ها میتوانند به‌عنوان منبع، گیت یا ماژول اتصال‌دهنده عمل کنند و به‌صورت دینامیک با نیاز سیستم تنظیم شوند. ماژول‌ها میتوانند برای فشرده‌سازی روی تراشه ادغام شوند یا با استفاده از پیوندهای فیبر در فواصل مختلف توزیع شوند – از توپولوژی‌های هیبریدی پشتیبانی می‌کنند که سرعت، پیچیدگی سخت‌افزار و نرخ خطا را متعادل می‌کنند.
در مجموع، این رویکرد نوآورانه با حذف وابستگی به تداخل احتمالاتی فوتون‌ها و سپردن عملیات برهم‌کنشی به اتمی منفرد، گلوگاه اصلی محاسبات کوانتومی فوتونیکی را از میان برداشته و راه را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی فوتونی عملی، مقیاس‌پذیر و قابل‌اجرا در دمای محیط هموار می‌سازد. در این معماری، فوتون‌ها همچنان حامل اطلاعات کوانتومی هستند، اما این اتم‌ها هستند که تحقق آن را ممکن می‌کنند.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/07/07/deterministic-entanglement-for-photonic-quantum-computing-atom-as-interface/
[2] https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.6.010340
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
