محققین اتریشی و آلمانی برای اولین بار فوتون های نوری و مایکروویو را باهم درهمتنیده کردند! این توسعه در پرداختن به چالش های پیش روی محاسبات کوانتومی، به ویژه در برقراری ارتباط بین پردازنده های مختلف که به طور مستقل خنک می شوند، بسیار مهم است. در حال حاضر، استفاده از فوتون‌های مایکروویو منفرد به‌عنوان حامل های اطلاعات بین کیوبیت‌های ابررسانا در پردازنده‌ها به دلیل اثرات مخرب گرما در محیط دمای اتاق چالش های زیادی دارد. این اختلالات ناشی از گرما، خواص کوانتومی شکننده، مانند درهم تنیدگی، فوتون های مایکروویو را به خطر می اندازد.
با درهم‌تنیدگی فوتون‌های مایکروویو کم‌انرژی با فوتون‌های نوری پرانرژی، محققان راه را برای ایجاد ارتباط بین رایانه‌های کوانتومی ابررسانا از طریق پیوندهای دمای اتاق هموار کردند. این پیشرفت، پیامدهای گسترده‌ای دارد، نه تنها برای بزرگ‌سازی سخت‌افزار کوانتومی موجود، بلکه برای ایجاد ارتباط متقابل با دیگر پلت‌فرم‌های محاسباتی کوانتومی و فعال کردن برنامه‌های سنجش از راه دور پیشرفته و محاسبات کوانتومی توزیغ شده نیز فرصت های فراوانی ایجاد میشود.
نویز به هر اختلالی اشاره دارد که بر پایداری و عملکرد کیوبیت تأثیر می گذارد. یکی از منابع اصلی نویز، گرمای تولید شده توسط ماده ای است که کیوبیت بر آن استوار است. گرما باعث می شود اتم های درون یک ماده حرکت سریع از خود نشان دهند. این حرکت مخرب با ویژگی‌های کوانتومی مهم مانند درهم تنیدگی تداخل می‌کند و کیوبیت‌ها را برای محاسبات قابل اطمینان نامناسب می‌کند. در نتیجه، برای حفظ عملکرد خود، کامپیوترهای کوانتومی باید اطمینان حاصل کنند که کیوبیت‌ها از محیط اطراف جدا شده، تا دمای بسیار پایین خنک می‌شوند و در خلاء نگهداری می‌شوند تا ویژگی‌های کوانتومی ظریف خود را حفظ کنند. برای حفظ عملکرد کیوبیت های ابررسانا، از دستگاه تخصصی به نام "یخچال رقیق سازی" استفاده می شود. این دستگاه استوانه ای از سقف آویزان است. کیوبیت هایی که در پایین یخچال قرار دارند تا دمایی که فقط چند هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق، تقریباً 273- درجه سانتیگراد خنک می شوند. وظیفه اصلی یخچال رقیق سازی خنک کردن مداوم کیوبیت ها است. با این حال، با اضافه شدن کیوبیت‌ها و سیم‌کشی‌های کنترل مرتبط، مدیریت گرمای تولید شده چالش‌برانگیزتر میشود.
اگر یک یخچال رقیق‌کننده نتواند به‌اندازه کافی بیش از هزار کیوبیت ابررسانا را به طور همزمان خنک کند، راه‌حل در برقراری ارتباط بین چندین کامپیوتر کوانتومی کوچکتر نهفته است. این امر مستلزم ایجاد یک شبکه کوانتومی است. با این حال، اتصال دو کامپیوتر کوانتومی ابررسانا، که هر یک مجهز به یخچال رقیق‌سازی خاص خود هستند، به سادگی اتصال آنها با یک کابل الکتریکی استاندارد نیست. اتصال به ملاحظات خاصی برای اطمینان از حفظ ماهیت کوانتومی ظریف کیوبیت ها نیاز دارد. کیوبیت‌های ابررسانا بر اساس جریان‌های الکتریکی کوچکی عمل می‌کنند که در یک مدار با فرکانس‌هایی تقریباً ده میلیارد بار در ثانیه به جلو و عقب نوسان می‌کنند. این کیوبیت ها از طریق استفاده از فوتون های مایکروویو، که ذرات نور هستند، با یکدیگر تعامل دارند. جالب اینجاست که فرکانس‌هایی که این فوتون‌های مایکروویو در آن کار می‌کنند مشابه فرکانس‌هایی است که توسط تلفن‌های همراه استفاده میشود. حتی مقدار کمی گرما می تواند به راحتی خواص کوانتومی ظریف فوتون های مایکروویو را که برای برقراری ارتباط بین کیوبیت ها در رایانه های کوانتومی جداگانه ضروری است، مختل کند. هنگامی که این فوتون ها از کابل خارج از یخچال عبور می کنند، گرمای محیط آنها را برای هدف مورد نظر خود بی اثر می کند.
به جای تکیه بر این فوتون‌های مایکروویو مستعد نویز برای محاسبات کوانتومی در رایانه کوانتومی، هدف استفاده از فوتون‌های نوری با فرکانس‌های بالاتر مشابه نور مرئی برای شبکه کردن رایانه‌های کوانتومی با یکدیگر است. این فوتون های نوری همان نوع هستند که از طریق فیبرهای نوری برای رساندن اینترنت پرسرعت به خانه های ما منتقل می شوند. این فناوری به خوبی درک شده است و نسبت به نویز ناشی از گرما بسیار کمتر مستعد است. چالش در یافتن راهی برای برهمکنش فوتون های مایکروویو و فوتون های نوری و درهم تنیدگی است. این فرآیند تعامل و درهم تنیدگی برای ایجاد ارتباطات کوانتومی مورد نظر بین اجزای مختلف کامپیوترهای کوانتومی بسیار مهم است.
محققان از یک تشدید کننده نوری کریستالی غیرخطی برای آزمایش خود استفاده کردند. این کریستال خواص نوری خود را در حضور میدان الکتریکی تغییر می دهد. در داخل یک کاواک ابررسانا، برهمکنش کریستال افزایش می یابد. سپس یک لیزر به درون کریستال الکترو-اپتیکی درایو میشود. در طی این فرآیند، یک فوتون نوری به یک جفت فوتون تازه درهمتنیده تقسیم میشود: یک فوتون نوری با انرژی کمی کمتر از فوتون اصلی و یک فوتون مایکروویو با انرژی بسیار کمتر.
فوتون های نوری حدود 20000 برابر بیشتر از فوتون های مایکروویو انرژی حمل می کنند. در نتیجه، هجوم فوتون های نوری می تواند انرژی و گرمای بیش از حد را به دستگاه وارد کند و به طور بالقوه خواص کوانتومی فوتون های مایکروویو را مختل کند. برای غلبه بر این مانع و دستیابی به اندازه گیری های دقیق، ماه ها تنظیمات دقیق مورد نیاز بود. برای کاهش این مشکل، محققان یک دستگاه ابررسانای حجیم‌تر را در مقایسه با تلاش‌های قبلی توسعه دادند. این طراحی نه تنها از شکست ابررسانایی جلوگیری می‌کند، بلکه خنک‌سازی مؤثرتر را تسهیل می‌کند و دمای پایین دستگاه را در فواصل کوتاه پالس‌های لیزر نوری حفظ می‌کند.
حال فوتون های نوری و مایکروویو باهم درهمتنیده شده اند و این امر با اندازه‌گیری همبستگی‌های بین نوسانات کوانتومی میدان‌های الکترومغناطیسی دو فوتون تأیید شده است، که همبستگی‌های قوی‌تری نسبت به فیزیک کلاسیک نشان می‌دهند. این نقطه عطف برای پیشبرد توسعه یک شبکه کوانتومی بسیار مهم است و پیامدهایی برای سایر فناوری‌های کوانتومی، از جمله سنجش کوانتومی نیز دارد. نتایج این تحقیق در مجله معتبر Science منتشر شده است که حاکی از پیشرفت چشمگیر در فناوری محاسبات کوانتومی و کاربردهای بالقوه آن است.
لینک مقاله:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3812
