کاربردی‌تر شدن محاسبات کوانتومی با استفاده از مرکز نیتروژن-جاخالی

به گزارش خبرگزاری دانا؛ کامپیوترهای کوانتومی ، عمدتاً ابزارهای فرضی هستند که می‌توانند برخی از محاسبات را بسیار سریع‌تر در مقایسه با کامپیوترهای متداول انجام دهند. آنها از یک خاصیت که ابرموقعیت نامیده می‌شود، استفاده می‌کنند. این خاصیت بیان می‌کند که یک ذره کوانتومی این توانایی را دارد که در یک لحظه، بیش از یک حالت فیزیکی را اختیار کند.

اما ابرموقعیت، یک حالت بسیار شکننده است و پیدا کردن راه‌هایی برای پایداری آن یکی از مشکلات اصلی برای بهبود کامپیوترهای کوانتومی بزرگ است. به‌تازگی محققانMIT یک روش جدید برای حفظ ابرموقعیت در ابزارهای کوانتومی ساخته شده از الماس‌های سنتزی معرفی کردند.

نتایج این مطالعه که در مجله Nature چاپ شده است می‌تواند یک گام بزرگ در جهت دستیابی به کامپیوترهای کوانتومی موثق باشد. در اکثر زمینه‌های مهندسی، بهترین روش برای نگه‌داری پایداری یک حالت فیزیکی کنترل بازخورد (فیدبک) است. شما یک اندازه‌گیری انجام می‌دهید و بر آن اساس یک سیگنال کنترل تولید می‌شود که در جهت حالت مطلوب سیستم را به عقب باز می‌گرداند. اما مشکل استفاده از این تکنیک برای پایدارسازی یک سیستم کوانتومی این است که اندازه‌گیری سبب تخریب ابرموقعیت می‌شود. بنابراین محققان محاسبات کوانتومی مجبور هستند که پایدارسازی ابرموقعیت را بدون فیدبک انجام دهند. 

در این کار جدید، گروه تحقیقاتی یک سیستم کنترل-فیدبک برای نگه‌داری ابرموقعیت کووانتومی معرفی کردند که نیاز به هیچ‌گونه اندازه‌گیری ندارد. 

کاپلارو استادیار علوم و مهندسی هسته‌ای MIT و نویسنده اصلی مقاله می‌گوید:« ما برای اجرای فیدبک، بجای استفاده از یک کنترل‌کننده کلاسیکی، از یک کنترل‌کننده کوانتومی استفاده کردیم. به‌دلیل اینکه کنترل‌کننده، کوانتومی است، بنابراین لازم نیست تا اندازه‌گیری انجام گیرد تا بدانیم چه ‌اتفاقی در حال رخ دادن است.» 

این سیستم از یک مرکز نیتروژن-جاخالی در الماس استفاده می‌کند. اگر یک هسته‌ کربن از شبکه خارج شود، یک جاخالی ایجاد می‌شود، و اگر یک اتم نیتروژن جایگزین اتم کربن در شبکه شود و این اتفاق در مجاورت جاخالی انجام گیرد، یک مرکز نیتروژن-جاخالی (NV) تشکیل خواهد شد. همراه با هر مرکز NV، گروهی از الکترون‌های اتم‌های مجاور هستند که مشابه با دیگر الکترون‌ها دارای اسپین هستند که جهت‌گیری مغناطیسی آنها را مشخص می‌سازد. هنگامی‌که در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند، اسپین الکترونی مرکز NV می‌تواند بالا، پایین یا یک ابرموقعیت کووانتومی از دو حالت باشد و بنابراین نشان‌دهنده یک کوبیت است. مراکز NV در مقایسه با دیگر کوبیت‌ها چندین مزیت دارند: اول اینکه آنها یک خصیصه ذاتی از یک ساختار فیزیکی هستند، از این‌رو نیازمند ابزارهای پیچیده برای به ‌دام انداختن یون‌ها و اتم‌ها نیستند که دیگر روش‌ها به آنها نیازمند هستند. و دوم اینکه مراکز NV نشرکننده‌های نوری طبیعی هستند که سبب می‌شود خواندن اطلاعات آنها ساده شود. در حقیقت ذرات نوری نشرشده توسط یک مرکز NV، خود در ابرموقعیت هستند و بنابراین یک راه برای اننتقال اطلاعات کوانتومی فراهم می‌سازند.

مشابه الکترون‌ها، هسته اتمی نیز دارای اسپین است. گروه تحقیقاتی از حالت اسپینی هسته نیتروژن برای کنترل اسپین الکترونیی مرکز NV استفاده می‌کنند. در ابتدا، امواج میکروویو اسپین الکترونی را در ابرموقعیت قرار می‌دهند و در ادامه یک تابش پیوسته از فرکانس رادیویی سبب می‌شود تا هسته نیتروژن در یک حالت اسپینی ویژه قرار گیرد. در مرحله بعد، میکروویو با قدرت کمتر اعمال می‌شود که باعث محصور کردن اسپین‌های هسته نیتروژن و مرکز NV می‌شود، به‌گونه‌ای که آنها وابسته به یکدیگر می‌شوند. در این مرحله، کوبیت NV، به همراه دیگر کوبیت‌ها، می‌تواند برای اجرای یک محاسبات استفاده شود. در این آزمایشات، محققان تنها یک کوبیت منفرد را ارزیابی کردند و بنابراین تنها موفق به انجام ابتدایی‌ترین عملیات محاسباتی شدند. از آنجایی‌که اسپین‌های هسته نیتروژن و مرکز NV، با یکدیگر محصور هستند، از این رو اگر کوچک‌ترین اشتباهی در طول محاسبات رخ دهد، این خطا به اسپین هسته نیتروژن انعکاس داده می‌شود. بعد از اینکه محاسبات انجام شد، قسمت سوم امواج میکروویو ( که پلاریزاسیون آن نسبت به پلریزاسیون میکروویو دوم، چرخیده است) سبب جداسازی هسته نیتروژن و مرکز NV می‌شود و در نهایت محققان سیستم را در معرض آخرین توالی میکروویو قرار می‌دهند.

در این آزمایشات، محققان متوجه شدند که با استفاده از این سیستم کنترل-فیدبک، یک کوبیت NV-مرکز به میزان هزار برابر در ابرموقعیت پایدارتر است.

منبع : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-04/miot-amm040616.php