حالت های منطقی برای محاسبات کوانتومی تحمل پذیر خطا با انتشار نور

خلاصه خبر:
 

محققان با ایجاد یک کیوبیت منطقی تصحیح کننده خطا با استفاده از یک پالس نوری تولیدشده توسط لیزر، به پیشرفت بزرگی در محاسبات کوانتومی دست یافتند. برخلاف روش‌های رایج که بر فوتون‌های منفرد تکیه میکنند، این روش از یک پالس متشکل از فوتون‌های متعدد استفاده میکند که قابلیت‌های تصحیح خطای ذاتی را ارائه میکند. حالت های Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) تولید شده شبیه یک آرایه دو بعدی با قله تیز است که کدهای تصحیح خطای کوانتومی تحمل پذیر خطا را فعال میکند. با اینکه کیوبیت منطقی تجربی هنوز به سطح تحمل خطای مورد نظر نرسیده، این مطالعه تبدیل کیوبیت‌های غیر قابل تصحیح جهان شمول را با استفاده از تکنیک‌های اپتیکی کوانتومی پیشرفته به موارد اصلاح‌پذیر نشان میدهد. این تحقیق راه را برای توسعه رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و کاربردی هموار میکند که در کارهای محاسباتی مختلف از سیستم‌های کلاسیک پیشی میگیرند.

توضیحات تکمیلی:
 

در یک پیشرفت قابل توجه برای محاسبات کوانتومی، محققان دانشگاه توکیو، دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز (JGU) و دانشگاه Palacký Olomouc با موفقیت یک کیوبیت منطقی با توانایی تصحیح خطاها ایجاد کردند. رویکرد جدید از یک پالس نوری تولید شده توسط لیزر استفاده می‌کند که ذاتاً دارای قابلیت تصحیح خطا است.

به طور معمول، کامپیوترهای کوانتومی به دلیل در دسترس بودن محدود کیوبیت ها با چالش هایی روبرو هستند. کیوبیت ها به لطف برهم نهی کوانتومی می توانند هم 0 و هم 1 را به طور همزمان نشان دهند. با این حال، آنها بسیار مستعد تأثیرات خارجی هستند که منجر به از دست دادن اطلاعات می شود. برای رفع این مشکل، معمولاً چندین کیوبیت فیزیکی درهم می‌روند تا یک کیوبیت منطقی را تشکیل دهند و از حفظ داده‌ها حتی در صورت شکست کیوبیت‌های فیزیکی منفرد اطمینان حاصل کنند.

تیم تحقیقاتی یک رویکرد مبتنی بر فوتون را در پیش گرفت و از تک فوتون ها به عنوان کیوبیت های فیزیکی استفاده کرد. با این حال، به جای استفاده از فوتون های منفرد، آنها از یک پالس نوری تولید شده توسط لیزر متشکل از چندین فوتون برای ساخت یک کیوبیت منطقی استفاده کردند. این رویکرد در مقایسه با کیوبیت‌های حالت جامد، عملکرد سریع‌تری را ارائه می‌کند و در عین حال تلفات و خطاهای کیوبیت را به حداقل می‌رساند.

پروفسور پیتر ون لوک از JGU توضیح داد که پالس لیزر آنها به حالت نوری کوانتومی با قابلیت تصحیح خطای ذاتی تبدیل شده است. علیرغم اینکه یک سیستم کوچک متشکل از یک پالس لیزری است، این پتانسیل را دارد که فوراً خطاها را ریشه کن کند و تولید فوتون های جداگانه از طریق پالس های نوری متعدد را غیر ضروری می کند.

محققان ساخت موفقیت آمیز یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک را با استفاده از این روش نشان دادند. با ایجاد حالت‌های Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) یا حالت‌های شبکه‌ای، شبیه به یک آرایه دو بعدی با قله تیز، این تیم به کدهای تصحیح خطای کوانتومی متحمل خطا دست یافت. این حالت های فوتونیک مهندسی شده راه را برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی نوری در مقیاس بزرگ هموار می کند.

در حالی که کیوبیت منطقی تجربی تولید شده در دانشگاه توکیو هنوز به سطح لازم از تحمل خطا نرسیده است، این مطالعه شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه می‌کند که کیوبیت‌های غیرقابل تصحیح جهانی را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های نوری کوانتومی پیشرفته به کیوبیت‌های اصلاح‌پذیر تبدیل کرد.

این تحقیق نشان‌دهنده یک گام به جلو در محاسبات کوانتومی است و فرصت‌های جدیدی را برای توسعه سیستم‌های کوانتومی قوی‌تر و مقیاس‌پذیرتر باز می‌کند. دانشمندان با استفاده از پالس های نوری تولید شده توسط لیزر، راه را برای دستیابی به رایانه های کوانتومی عملی که قادر به عملکرد بهتر از سیستم های کلاسیک برای طیف وسیعی از وظایف هستند، هموار می کنند.

منبع

“Logical states for fault-tolerant quantum computation with propagating light” by Shunya Konno, Warit Asavanant, Fumiya Hanamura, Hironari Nagayoshi, Kosuke Fukui, Atsushi Sakaguchi, Ryuhoh Ide, Fumihiro China, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Kan Takase, Mamoru Endo, Petr Marek, Radim Filip, Peter van Loock and Akira Furusawa, 18 January 2024, Science.
DOI: 10.1126/science.adk7560