ممکن است خلاء را فضایی کاملاً خالی بدون ماده یا نور تصور کنید. با این حال، در دنیای کوانتومی، حتی این فضای «خالی» نیز نوسانات یا تغییراتی را تجربه می کند. دریای آرامی را تصور کنید که ناگهان موج می گیرد - این شبیه به آنچه در خلاء در سطح کوانتومی اتفاق می افتد است. پیش از این، این نوسانات به دانشمندان اجازه می داد تا اعداد تصادفی تولید کنند. آنها همچنین مسئول بسیاری از پدیده های جذابی هستند که دانشمندان کوانتومی در طول صد سال گذشته کشف کرده اند.
به طور معمول، رایانه ها به شیوه ای قطعی عمل می کنند و دستورالعمل های گام به گام را اجرا می کنند که از مجموعه ای از قوانین و الگوریتم های از پیش تعریف شده پیروی می کنند. در این پارادایم، اگر یک عملیات را چندین بار اجرا کنید، همیشه همان نتیجه را دریافت می کنید. این رویکرد جبرگرایانه عصر دیجیتال ما را بنانهاده است، اما محدودیت‌های خود را دارد، به‌ویژه وقتی صحبت از شبیه‌سازی دنیای فیزیکی یا بهینه‌سازی سیستم‌های پیچیده میشود، وظایفی که اغلب شامل مقادیر زیادی از عدم قطعیت و تصادفی هستند.
اینجاست که مفهوم محاسبات احتمالی مطرح می شود. سیستم‌های محاسباتی احتمالی از تصادفی بودن فرآیندهای خاص برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند. آنها نه تنها یک پاسخ "درست" را ارائه می دهند، بلکه طیفی از نتایج ممکن را ارائه می دهند که هر کدام با احتمال مرتبط با آن داده میشود. این امر ذاتاً آنها را برای شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی و مقابله با مسائل بهینه‌سازی در جایی که راه‌حل‌های متعدد وجود دارد و اکتشاف احتمالات مختلف می‌تواند به راه‌حل بهتری منجر شود، مناسب می‌سازد.
با این حال، اجرای عملی محاسبات احتمالی از نظر تاریخی به دلیل یک مانع قابل توجه با مشکل مواجه شده است: عدم کنترل بر توزیع‌های احتمال مرتبط با تصادفی کوانتومی. اما تحقیقات انجام شده توسط تیم MIT راه حل احتمالی را روشن کرده است. به طور خاص، محققان نشان داده‌اند که اعمال یک لیزر ضعیف به یک نوسان‌گر پارامتری نوری، یک سیستم نوری که به طور طبیعی اعداد تصادفی تولید می‌کند، می‌تواند به عنوان یک منبع قابل کنترل تصادفی کوانتومی «بایاس شده» عمل کند. کشف تصادفی کوانتومی قابل کنترل ما نه تنها به ما اجازه می دهد تا مفاهیم چند دهه در اپتیک کوانتومی را دوباره مرور کنیم، بلکه پتانسیل را در محاسبات احتمالی و سنجش میدان فوق العاده دقیق باز می کند.
این تیم با موفقیت توانایی دستکاری احتمالات مرتبط با حالت های خروجی یک نوسان ساز پارامتری نوری را به نمایش گذاشته و بدین ترتیب اولین بیت احتمالی فوتونیکی (p-bit) قابل کنترل را ایجاد کرد. علاوه بر این، این سیستم نسبت به نوسانات زمانی پالس‌های میدان بایاس، حتی بسیار پایین‌تر از سطح تک فوتون، حساسیت نشان داده است. سیستم تولید p-bit فوتونیکی آنها در حال حاضر اجازه تولید 10000 بیت در ثانیه را می دهد که هر کدام از آنها می تواند از توزیع دوجمله ای دلخواه پیروی کند. آنها انتظار داریم که این فناوری در چند سال آینده تکامل یابد و منجر به p-bit های فوتونی با سرعت بالاتر و طیف وسیع تری از کاربردها شود.
با تبدیل نوسانات خلاء به یک عنصر قابل کنترل، مرزهای آنچه را که در محاسبات احتمالی تقویت‌شده کوانتومی امکان‌پذیر است را میشود پیش برد. دورنمای شبیه‌سازی دینامیک پیچیده در حوزه‌هایی مانند بهینه‌سازی ترکیبی کوانتومی و بهینه‌سازی کوانتومی بسیار شبیه‌سازی شده است.
لینک مقاله:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh4920
