اخبار کوانتومی – اولین الگوریتم کوانتومی توزیع شده، ابرکامپیوترهای کوانتومی را نزدیک‌تر می‌کند
عنوان خبر: اولین الگوریتم کوانتومی توزیع شده، ابرکامپیوترهای کوانتومی را نزدیک‌تر می‌کند.
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، یون به‌دام‌افتاده، الگوریتم کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 6 فوریه 2025
لینک خبر: University of OXFORD
چکیده:
محققان دانشگاه آکسفورد با موفقیت دو پردازنده کوانتومی را با استفاده از فیبرهای نوری به هم متصل کردند و محاسبات کوانتومی توزیع شده را نشان دادند. این پیشرفت، از تله‌پورت کوانتومی برای اجرای گیت های کوانتومی منطقی بین ماژول‌ها استفاده می‌کند و جایگزینی مقیاس‌پذیر برای رایانه‌های کوانتومی تک‌دستگاهی ارائه می‌کند. این تیم یک گیت Z کنترل شده را با 86 درصد فیدلیتی از راه دور تله پورت کرد و الگوریتم جستجوی گروور را در پردازنده‌های مرتبط اجرا کرد.این رویکرد ماژولار امکان ارتقای انعطاف‌پذیر را فراهم می‌کند و از چالش‌های ساخت رایانه‌های کوانتومی تک دستگاهی عظیم جلوگیری می‌کند. این آزمایش از کیوبیت ها و فوتون های یون به دام افتاده برای ارتباط استفاده می کند و راه را برای سیستم های کوانتومی بزرگتر و قدرتمندتر و اینترنت کوانتومی آینده هموار می کند.
شرح کامل خبر:
پژوهشگران دانشگاه آکسفورد با موفقیت دو پردازنده کوانتومی جداگانه را با استفاده از فیبرهای نوری به هم متصل کرده‌اند و به یک دستاورد مهم در محاسبات کوانتومی دست یافته‌اند. این پیشرفت که در مجله‌ی Nature منتشر شده است، امکان‌پذیر بودن محاسبات کوانتومی توزیع‌شده (DQC) را نشان می‌دهد، که گامی حیاتی به سوی ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ و مقاوم در برابر خطا است. این آزمایش از تله‌پورت کوانتومی برای اجرای گیت های منطقی کوانتومی در سراسر این ماژول‌های به هم پیوسته بهره می‌برد و جایگزینی مقیاس‌پذیر برای چالش‌های ساخت کامپیوترهای کوانتومی تک‌دستگاهی عظیم ارائه می‌دهد.
چالش اصلی در محاسبات کوانتومی، مقیاس‌پذیری است. ساخت یک کامپیوتر کوانتومی واحد با میلیون‌ها کیوبیت، معادل کوانتومی بیت‌های کلاسیک، موانع مهندسی و پایداری عظیمی را ایجاد می‌کند. رویکرد تیم آکسفورد با اتصال پردازنده‌های کوانتومی کوچکتر و قابل مدیریت‌تر، یا ماژول‌ها، از طریق فیبرهای نوری، به طور مؤثر یک سیستم واحد و قدرتمندتر ایجاد کرده و به این مسئله رسیدگی می‌کند. این طراحی مدولار انعطاف‌پذیری را فراهم می‌کند و ماژول‌های جداگانه را قادر می‌سازد بدون تأثیر بر کل سیستم، مانند نحوه عملکرد ابررایانه‌های سنتی، ارتقا یا جایگزین شوند.
آزمایش آکسفورد حول تله‌پورت کوانتومی متمرکز است، فرآیندی که اطلاعات کوانتومی را بین کیوبیت‌ها بدون جابجایی فیزیکی آنها منتقل می‌کند. در حالی که آزمایش‌های قبلی حالت‌های کوانتومی را تله‌پورت کرده‌اند، این تحقیق تله‌پورت گیت‌های منطقی کوانتومی – بلوک‌های ساختمانی اساسی الگوریتم‌های کوانتومی – را در سراسر شبکه نشان می‌دهد. این یک پیشرفت بسیار مهم است. مقاله منتشر شده از آنها تصریح می‌کند که این انتقال نه احتمالی، بلکه قطعی و تکرارپذیر است، که یک شرط کلیدی برای DQC عملی است. به طور خاص، آنها یک گیت کنترل‌شده-Z، یک گیت دو کیوبیتی اساسی، را بین کیوبیت‌های مدار که در ماژول‌های جداگانه قرار دارند، انتقال دادند و به فیدلیتی قابل توجه ۸۶٪ دست یافتند. این فیدلیتی بالا تضمین می‌کند که عملیات‌های کوانتومی به درستی انجام می‌شوند و یکپارچگی محاسبات را حفظ می‌کنند.
محققان از یون‌های به دام افتاده به عنوان کیوبیت‌های خود استفاده کردند، فناوری‌ای که به دلیل همدوسی و کنترل بالای خود شناخته می‌شود. این یون‌ها در ماژول‌های جداگانه قرار دارند و توسط فیبرهای نوری که اطلاعات کوانتومی کدگذاری شده در فوتون‌ها را منتقل می‌کنند، به هم متصل می‌شوند. این آزمایش شامل دو ماژول بود که تقریباً دو متر از هم فاصله داشتند. استفاده از فوتون‌ها به عنوان حامل اطلاعات، این رویکرد را به ویژه همه‌کاره می‌کند، زیرا فوتون‌ها می‌توانند با پلتفرم‌های مختلف محاسبات کوانتومی، از جمله کیوبیت‌های ابررسانا و سیستم‌های اتم خنثی، ارتباط برقرار کنند و راه را برای کاربرد گسترده‌تر این معماری DQC باز کنند.
برای نشان دادن عملکرد سیستم توزیع‌شده خود، تیم الگوریتم جستجوی گروور را اجرا کرد، یک الگوریتم کوانتومی که به دلیل توانایی خود در جستجوی مجموعه‌های داده بزرگ بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک شناخته می‌شود. اجرای موفقیت‌آمیز الگوریتم گروور در دو ماژول، با نرخ موفقیت ۷۱٪، ثابت می‌کند که DQC می‌تواند مزایای محاسباتی فناوری کوانتومی را در عین استفاده از یک معماری مدولار حفظ کند. مقاله همچنین اجرای مدارهای توزیع‌شده iSWAP و SWAP را برجسته می‌کند، که بیشتر توانایی انجام عملیات دلخواه دو کیوبیتی را در سراسر شبکه نشان می‌دهد. این مدارها با استفاده از چندین نمونه از گیت CZ تله‌پورت شده کامپایل شدند که تطبیق‌پذیری و برنامه‌پذیری سیستم را نشان می‌دهد.
اهمیت این کار فراتر از محاسبات کوانتومی است. همانطور که محققان اشاره می‌کنند، توانایی کنترل سیستم‌های کوانتومی توزیع‌شده در زمینه‌های مختلف، از جمله multipartite secret sharing (نوعی رمزنگاری کوانتومی)، مترولوژی (اندازه‌گیری دقیق) و تحقیقات فیزیک بنیادی کاربرد دارد. توسعه یک “اینترنت کوانتومی”، جایی که پردازنده‌های کوانتومی می‌توانند به طور ایمن ارتباط برقرار کنند و وظایف محاسباتی را به اشتراک بگذارند، یک هدف بلندمدت است که این تحقیق مستقیماً از آن پشتیبانی می‌کند.
در حالی که این آزمایش نشان دهنده یک گام بزرگ به جلو است، محققان اذعان دارند که چالش‌های قابل توجهی باقی مانده است. مقیاس‌بندی به تعداد بیشتری از ماژول‌ها و کیوبیت‌ها نیازمند پیشرفت‌های بیشتر در درک فیزیک و مهندسی خواهد بود. با این حال، این نمایش یک پایه محکم برای کار آینده در ادغام چندین پردازنده کوانتومی در سیستم‌های محاسبات کوانتومی بزرگ و با کارایی بالا فراهم می‌کند و تحقق کامپیوترهای کوانتومی عملی و بزرگ را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند. بودجه ارائه شده توسط شورای تحقیقات و نوآوری بریتانیا در زمینه مهندسی و علوم فیزیکی بر اهمیت این کار در زمینه وسیع‌تر برنامه ملی فناوری‌های کوانتومی بریتانیا تأکید می‌کند.
منابع:
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-024-08404-x
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
