خلاصه خبر:
محققان مرکز محاسبات کوانتومی RIKEN در محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری با استفاده از سیستم‌های نوری پیشرفت کرده‌اند. برخلاف کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر گیت که بر اجزای فیزیکی متکی هستند، رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری حالت‌های کوانتومی پیچیده‌ای به نام حالت‌های خوشه‌ای را دستکاری می‌کنند. محققان در این پیشرفت به فیدفوروارد غیرخطی، عنصری حیاتی برای عملیات کوانتومی جهانی در سیستم‌های نوری دست یافتند. فید فوروارد غیرخطی مزایایی در سرعت و انعطاف پذیری ارائه می دهد و کامپیوترهای کوانتومی نوری را برای سخت افزار آینده امیدوار می کند. هدف محققان این است که این تکنیک را برای محاسبات کوانتومی عملی و تصحیح خطا به کار ببرند و سرعت آن را برای محاسبات کوانتومی نوری با سرعت بالا افزایش دهند.
توضیحات تکمیلی:
توسعه رایانه‌های کوانتومی در سال‌های اخیر شتاب گرفته است و دو رویکرد اصلی ظهور کرده است: محاسبات کوانتومی مبتنی بر گیت و محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری. کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر گیت برای دستکاری و کنترل کیوبیت ها به اجزای فیزیکی مانند مدارهای ابررسانا متکی هستند. این سیستم ها شبیه کامپیوترهای کلاسیک هستند و محاسبات را با اعمال متوالی گیت‌های کوانتومی روی کیوبیت ها انجام می دهند. در مقابل، رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری اطلاعات را با استفاده از حالت‌های کوانتومی پیچیده به نام حالت‌های خوشه‌ای (cluster states) پردازش می‌کنند. این حالت‌ها از کیوبیت‌های درهم‌تنیده تشکیل شده‌اند و محاسبات با اندازه‌گیری روی کیوبیت‌های درهم‌تنیده انجام می‌شوند. محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری مزایایی در مقیاس پذیری، برنامه ریزی و تحمل خطا ارائه می دهد.
محققان مرکز محاسبات کوانتومی RIKEN با همکاری چندین مؤسسه در سراسر جهان، پیشرفت چشمگیری در توسعه محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری با استفاده از سیستم های نوری داشته اند. برخلاف کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر گیت که بر اجزای فیزیکی مانند مدارهای ابررسانا متکی هستند، کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری با دستکاری حالت‌های کوانتومی پیچیده به نام حالت‌های خوشه‌ای (cluster states) عمل می‌کنند.
حالت‌های خوشه‌ای از کیوبیت‌های درهم‌تنیده تشکیل شده‌اند، و رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری، اندازه‌گیری‌ها را بر روی این کیوبیت‌ها انجام می‌دهند و نتایج، اندازه‌گیری‌های بعدی را بر روی سایر کیوبیت‌های درهم‌تنیده تعیین می‌کنند. این فرآیند که به عنوان feedforward (فید فوروارد یا پیشخور) شناخته می شود، امکان پیاده سازی گیت ها و مدارهای کوانتومی مختلف را فراهم می کند.
تیم تحقیقاتی محاسبات کوانتومی نوری در RIKEN اکنون با نشان دادن فید فوروارد غیرخطی، یک عنصر حیاتی برای تحقق عملیات کوانتومی جهانی در محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری نوری، به یک نقطه عطف بزرگ دست یافته است. فید فوروارد غیرخطی، اجرای طیف وسیع تری از گیت های بالقوه را در کامپیوترهای کوانتومی نوری امکان پذیر می کند.
برای غلبه بر چالش‌های مرتبط با فید فوروارد غیرخطی، محققان از تکنیک‌های نوری پیچیده، مواد الکترواپتیک ویژه و الکترونیک فوق‌سریع استفاده کردند. آنها از حافظه های دیجیتال برای پیش محاسبه و ضبط توابع غیرخطی مورد نظر استفاده کردند که پس از اندازه گیری بر روی سیگنال های نوری اعمال شد.
مزایای کلیدی تکنیک فید فوروارد غیرخطی آنها سرعت و انعطاف پذیری آن است. این فرآیند همگام سازی با حالت کوانتومی نوری را امکان پذیر می کند و راه را برای محاسبات کوانتومی نوری با سرعت بالا هموار می کند. محققان همچنین با استفاده از حالت های کمکیِ (ancillary states) غیر گاوسی به جای خلاء کلاسیک، به کاهش 10 درصدی در نویز اضافی اندازه گیری دست یافتند.
نمایش موفقیت آمیز فید فوروارد غیرخطی نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه گیری با استفاده از سیستم های نوری است. این یافته مقیاس پذیری بالقوه و تحمل خطای رایانه های کوانتومی نوری را برجسته می کند و آنها را به عنوان نامزدهای امیدوارکننده ای برای سخت افزار رایانه های کوانتومی آینده قرار می دهد.
هدف محققان این است که تکنیک فید فوروارد غیرخطی خود را برای محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری عملی و تصحیح خطای کوانتومی اعمال کنند. آنها همچنین قصد دارند سرعت فید فوروارد غیرخطی خود را برای محاسبات کوانتومی نوری با سرعت بالا افزایش دهند. در حالی که روش‌های مبتنی بر مدار ابررسانا محبوبیت پیدا کرده‌اند، محققان پیشنهاد می‌کنند که سیستم‌های نوری، نوید زیادی برای تحقق سخت‌افزار رایانه‌های کوانتومی دارند.
منبع
Atsushi Sakaguchi et al, Nonlinear feedforward enabling quantum computation, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39195-w
