ذرات ذات ذاكرة طويلة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية

كيف يمكن تمديد عمر الكيوبت - وحدة الذاكرة الكمومية -؟

تثير أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخيال وتشكل أرضًا خصبة للبحث والتطوير الصناعي في أكبر الشركات في العالم. ومن المتوقع أن تقوم أجهزة الكمبيوتر هذه، التي لا تزال تخطو خطواتها الأولى، بمعالجة المعلومات بسرعة هائلة وعلى نطاق ضخم لا يمكن تحقيقه على الإطلاق مع التكنولوجيا الحالية. وقد تسمح لنا بحل المسائل الرياضية التي ليس لها إجابة، أو التعامل مع الخصائص الكمومية للعالم التي يمكننا الوصول إليها حاليًا بشكل رئيسي على المستوى النظري.

بينما يعمل الكمبيوتر العادي باستخدام البت، وهي وحدة ذاكرة يمكن أن تكون في الحالة 0 أو 1، في وحدات الذاكرة الكمومية، أو الكيوبت، يتم تخزين المعلومات في وقت واحد في كل من 0 و 1 - وهي حالة تعرف باسم التراكب. ويعادل الكيوبت الواحد العديد من البتات في قوة المعالجة الخاصة به، ولكنه حساس للغاية للبيئة، وبالتالي يفقد المعلومات الموجودة فيه خلال أجزاء من الثانية.

م أور كاتز وروي شاهام من مختبر د عوفر فورستنبرجيعد هذا المشروع، من قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع شركة "رافائيل"، جزءًا من مشروع نظري وعملي يقدم طريقة جديدة لحفظ المعلومات في الكيوبتات لفترات طويلة بشكل خاص.

لمدة 20 عامًا، تم البحث في نظام الذاكرة الكمومية، الذي يخزن المعلومات بمساعدة خاصية فريدة للإلكترون تحيط بنواة الذرة وتسمى الدوران. بشكل تجريدي معين، يمكننا القول أن الدوران هو دوران الإلكترون حول محوره. في الحالات المحددة جيدًا، حيث يكون الدوران مستقرًا نسبيًا، من الممكن تخيل أن الإلكترون يدور في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. ومن الخصائص الأخرى أنه عندما تصطدم ذرتان، فإن دورانهما يحافظ على اتجاهاته الأصلية أو يتحول بينهما. وبالتالي، يعتبر الدوران نظامًا قادرًا على تخزين المعلومات. على سبيل المثال، يمكنك أن تقرر أن الدوران في اتجاه عقارب الساعة هو 1 وأن ​​الدوران عكس اتجاه عقارب الساعة هو 0.

لكي تصبح الذاكرة الذرية كمية، يتم إنشاء المعلومات التي نريد تخزينها باستخدام شعاع ليزر من الفوتونات التي تكون في حالة تراكب. يُطلق شعاع الليزر إلى حاوية مغلقة تحتوي على مليارات ذرات الغاز، فيعكس اتجاه دوران أحد الإلكترونات الموجودة في إحدى ذرات الغاز - دون أن نتمكن من تحديد هويته. وفي وقت لاحق، يمكن إثارة ذرات الغاز، بحيث يقوم نفس الإلكترون الذي تم عكس دورانه بإطلاق فوتون في اتجاه محدد يكمل شعاع الليزر الأصلي. وهكذا حصلنا على وحدة ذاكرة كمومية ذات عمر طويل نسبيًا، على الرغم من أنه لا يزيد عن بضعة أعشار من الثانية.

لا تحتوي إلكترونات الغاز النبيل النادر على دوران مغزلي، لكن نواتها الذرية لها دوران مغزلي، وهو قادر على الحفاظ على اتجاهه حتى لعدة أشهر

وافترض علماء معهد وايزمان أن استخدام نظام مماثل من الفوتونات والغاز، والذي لم يتم استخدامه حتى الآن في سياق الحوسبة الكمومية، قد يؤدي إلى إطالة عمر الكيوبت بشكل كبير. هذا نظام تحتوي فيه الخلية المغلقة على نوعين من الغاز. أولاً، يمتص الغاز القلوي، مثل الروبيديوم أو البوتاسيوم، المعلومات من الفوتون الموجود في شعاع الليزر، ثم ينقلها عبر الاصطدامات إلى غاز نبيل نادر، مثل الهيليوم-3.

لا تمتلك إلكترونات الغاز النبيل النادر دورانًا مغزليًا، لكن نواتها الذرية لها دوران - قادر على الحفاظ على اتجاهها حتى لعدة أشهر. لقراءة الذاكرة، يتم إثارة الغاز القلوي، الذي يستقبل المعلومات الكمومية من الغاز النبيل عن طريق الاصطدامات، والذي ينبعث منها على شكل فوتون. وفي مقال نشروه في أوائل عام 2021، قدم باحثون من مختبر الدكتور فورستنبرج جزءًا من العملية المعقدة، وأظهروا العلاقة بين الفوتونات والسبين في النواة الذرية - والعودة إلى الفوتونات.

ويقدر الباحثون أنه بينما يستغرق نقل المعلومات من إلكترونات الغاز القلوي إلى نوى الغاز النبيل وقتًا طويلاً في الأنظمة الكلاسيكية، فإن متطلبات الذاكرة الكمومية تسمح بذلك بسرعة كبيرة. وذلك لأن كل ما هو مطلوب هو الاتصال بين فوتون واحد وإلكترون واحد من الغاز القلوي ونواة واحدة من الغاز النبيل. وذلك لأن الهدف هو خلق حالة من التراكب مهما كانت الذرات التي ستصطدم وتنقل المعلومات من واحدة إلى الثانية وإلى الثالثة. وفي مقال آخر نشروه مؤخرًا، أظهر الباحثون بناء نظام يتمتع بالظروف المثالية، والذي يسمح بمرور المعلومات بكفاءة عالية جدًا ولديه القدرة على إنشاء نظام مستقر للذاكرة الكمومية.

ومع ذلك، فإن الطريق إلى تحقيق مثل هذا النظام في المجال الكمي لا يزال طويلا. وتتناول الدراسات والتجارب النظرية التي أجراها الباحثون، خطوة بخطوة، الفكرة المبتكرة - لتؤدي إلى الاختراق الذي من المتوقع أن يخدم تقنيات الاتصال بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام الفوتونات. وبعد ذلك، تم إنشاء العديد من مجموعات البحث في العالم والتي تدرس أيضًا الاتجاه الجديد وتنضم إلى التحدي، المصمم لإبقاء الكيوبت على قيد الحياة.