مقالات

تلپورت گیت کوانتومی بین کیوبیت های جدا از هم در یک پردازنده یون بدام افتاده

Quantum gate teleportation between separated qubits in a trapped-ion processor

 

کامپیوتر های کوانتومی بزرگ مقیاس نیازمند عملیات گیت کوانتومی میان کیوبیت هایی هستند که فاصله زیادی از هم دارند. روشی که برای پیاده سازی چنین عملیاتی وجود دارد، به تلپورت گیت کوانتومی (Quantum gate teleportation (QGT موسوم است، و تنها نیازمند عملیات موضعی، ارتباطات کلاسیکی، و درهم تنیدگی مشترک است. در این مقاله، محققان روش QGT را در یک ساختار مقیاس پذیر با تلپورت یک گیت NOT کنترل شده (Controlled-NOT) بین دو کیوبیت که در موقعیت های فضایی متفاوتی در یک تله یونی قرار دارند، به نمایش گذاردند. وفاداری درهم تنیدگی گیت CNOT تلپورت شده در بازه (0.845, 0.872) با سطح اطمینان 95% قرار دارد. این پیاده سازی، انتقال یون ها را با چرخش و آشکارسازی کیوبیت ها به صورت تکی، گیت های دو کیوبیتی، و عملیات شرطی لحظه ای، تلفیق می کند و بنابراین ابزار لازم جهت مقیاس پذیری کامپیوتر های کوانتومی بر اساس یون های بدام افتاده را تحقق می بخشد.

فیزیکدانان موسسه ملی استاندارد و فناوری (National Institute of Standards and Technology (NIST یک دستور مدار کامپیوتری را که به عملیات منطقی کوانتومی موسوم است بین دو یون جدا از هم تلپورت کردند، که نشان می دهد چگونه برنامه های کامپیوتری کوانتومی می توانند وظایف خود را در شبکه های کوانتومی بزرگ در آینده انجام دهند.

تلپورت کوانتومی، داده ها را از یک سیستم کوانتومی (مانند یک یون) به دیگری انتقال می دهد (مانند یون دوم)، حتی اگر این دو به طور کامل از یکدیگر جدا باشند. در این شکل واقعی از تلپورت، تنها اطلاعات کوانتومی منتقل می شوند و نه ماده.

تلپورت داده های کوانتومی قبلا با یون ها و انواع دیگر سیستم های کوانتومی انجام شده است. اما در این کار جدید، برای اولین بار است که یک عملیات منطقی کوانتومی به طور کامل با استفاده از یون ها تلپورت می شود.

دیتریش لیبفرید (Dietrich Leibfried)، فیزیکدان NIST، در این باره می گوید: “ما تأیید کردیم که عملیات منطقی ما در تمام حالتهای ورودی دو بیت کوانتومی با احتمال 85 تا 87 درصد کار می کند – که هنوز با حالت ایده آل بسیار فاصله دارد ، اما این یک شروع است”.

یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل، اگر بتوان آن را ساخت، می تواند مشکلات خاصی را حل کند که در حال حاضر قابل حل نیستند. NIST به تلاش های تحقیقاتی جهانی جهت استفاده از رفتار کوانتومی برای فناوری های عملی از جمله تلاش برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی کمک کرده است.

برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی به همان شکلی که امید می رود عمل کنند، احتمالا به میلیون ها بیت کوانتومی یا “کیوبیت” و همچنین راه هایی برای انجام عملیات بین کیوبیت های توزیع شده در دستگاه ها و شبکه های بزرگ نیاز است. تلپورت عملیات منطقی یکی از راه های انجام این کار بدون اتصال مستقیم کوانتومی است (اتصالات فیزیکی برای تبادل اطلاعات کلاسیک هنوز مورد نیاز است).

تیم NIST یک عملیات منطقی CNOT کوانتومی را بین دو کیوبیت یون بریلیوم که با فاصله ای بیش از 340 میکرومتر در مناطق جداگانه ای از یک تله یونی قرار گرفته بودند تلپورت کردند، فاصله ای که امکان هر گونه برهمکنش مستقیمی را از بین می برد.

فرآیند تلپورت NIST بر درهم تنیدگی استوار است، که خواص کوانتومی ذرات را حتی زمانی که از هم جدا هستند مرتبط می کند. جفت “پیام رسان” یون های درهم تنیده منیزیم برای انتقال اطلاعات بین یون های بریلیوم مورد استفاده قرار گرفتند.

تیم NIST دریافتند که فرآیند CNOT تلپورت شده، یون های منیزیم را با میزان موفقیت 95% درهم تنیده کرده است-که این یک گام اولیه بسیار مهم است-در حالی که عملیات منطقی در مجموع 85%تا 87% مواقع موفق بوده است.

لیبفرید افزود: “تلپورت گیت به ما اجازه میدهد که یک عملیات منطقی کوانتومی را بین دو یون که از نظر فضایی جدا هستند و ممکن است هرگز با هم ارتباط نداشته باشند را انجام دهیم. ترفند این است که هر یک از یونها، یکی از دو یون درهم تنیده را در مجاورت خود داشته باشد، و این منبع درهم تنیدگی که در برابر گیت قرار دارد، ما را قادر میسازد تا یک ترفند کوانتومی داشته باشیم که همتای کلاسیکی ندارد.”

وی اضافه کرد: “جفت های پیام رسان درهم تنیده می توانند در بخش اختصاصی از کامپیوتر تولید شوند و به طور جداگانه به کیوبیت هایی که باید به یک گیت منطقی متصل شوند اما در مکان های دور قرار دارند، ارسال شوند.”

کار NIST همچنین برای اولین بار چندین عملیات ضروری برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ مقیاس براساس یون ها، از جمله کنترل انواع مختلف یون ها، انتقال یون ها و عملیات درهم تنیدگی در قسمت های انتخابی سیستم را، در یک آزمایش واحد پیاده ساخته است.

برای بررسی اینکه گیت CNOT واقعا پیاده سازی شده است، محققان اولین کیوبیت را در 16 ترکیب مختلف حالت های ورودی آماده کردند و سپس خروجی ها را در کیوبیت دوم اندازه گیری کردند. این یک “جدول حقیقت” (Truth table) کوانتومی را بوجود آورد و نشان داد این فرایند کار می کند.

علاوه بر ایجاد یک جدول حقیقت، محققان هماهنگی داده ها را در بلند مدت بررسی کردند تا منابع خطا در آزمایش خود را شناسایی نمایند. انتظار می رود این روش یک ابزار مهم در شناسایی فرآیندهای اطلاعات کوانتومی در آزمایش های آینده باشد.

منابع:

[1] science.sciencemag.org

[2] sciencedaily.com

تاریخ انتشار مقاله:

31 مه 2019

 

گردآوری:

دکتر داود طاهری نیا

 

برچسب ها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید

بستن
دکمه بازگشت به بالا
بستن