الحوسبة الكمومية في درجة حرارة الغرفة

يتوقع باحثون من الجيش الأمريكي أن دوائر الحوسبة الكمومية التي لن تحتاج بعد الآن إلى درجات حرارة منخفضة للغاية لتعمل، ستصبح حقيقة واقعة في غضون عقد من الزمن تقريبًا

[ترجمة د.نحماني موشيه]

لسنوات عديدة، بدت تكنولوجيا الكم ذات الحالة الصلبة التي تعمل بشكل جيد في درجة حرارة الغرفة بمثابة إنجاز بعيد المنال. على الرغم من أن تطبيق البلورات الشفافة ذات اللاخطية البصرية قد ظهر في عالم العلوم باعتباره الأساس الأكثر ترجيحًا لهذا الإنجاز، إلا أن احتمال وجود مثل هذا النظام ظل دائمًا منخفضًا. والآن، تحقق علماء الجيش الأمريكي رسميًا من جدوى هذا النهج. أصبح الباحث الدكتور كيرت جاكوبس من مختبر أبحاث الجيش الأمريكي، بالتعاون مع الباحثين الدكتور ميكيل هيوك والبروفيسور ديرك إنجلوند من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أول من أثبت جدوى البوابة المنطقية الكمومية المكونة من دوائر ضوئية وبلورات بصرية .

وقال الباحث الرئيسي: "إذا كانت الأجهزة المستقبلية التي تستخدم التقنيات الكمومية بحاجة إلى التبريد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، فإن هذه الحاجة ستجعلها باهظة الثمن وضخمة ومستهلكة للطاقة". "يركز بحثنا على تطوير الدوائر الضوئية المستقبلية التي يمكنها الاستفادة من آلية التشابك الكمي لتطوير أجهزة كمومية تعمل في درجة حرارة الغرفة." تقدم تكنولوجيا الكم مجموعة متنوعة من التطورات المستقبلية في مجالات الحوسبة والاتصالات والاستشعار عن بعد.

من أجل تنفيذ أي عملية، تعمل أجهزة الكمبيوتر العادية على أساس معلومات محددة تماما. يتم تخزين المعلومات نفسها في العديد من البتات، كل واحدة منها يمكن أن تكون في وضع التشغيل (1) أو في وضع إيقاف التشغيل (0). يمكن للكمبيوتر العادي، الذي يتلقى مدخلات محددة بالبتات، معالجة هذا الإدخال لتوليد إجابة، والتي يتم تقديمها أيضًا كرقم. يقوم الكمبيوتر العادي بمعالجة إدخال واحد في كل مرة. في المقابل، تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتخزين المعلومات على شكل كيوبتات (الكيوبتات، ويكيبيديا) والتي يمكن أن تكون في حالة خاصة حيث يتم تشغيلها وإيقافها في نفس الوقت. يسمح هذا الوضع للكمبيوتر الكمي بالتحقق من الإجابات على عدد كبير من أنواع المدخلات في وقت واحد. على الرغم من أن هذا الكمبيوتر لا يمكنه عرض جميع الإجابات في نفس الوقت، إلا أنه يمكنه عرض العلاقات المتبادلة بين الإجابات المختلفة، وهو الوضع الذي يسمح بحل بعض المشكلات بشكل أسرع بكثير من الكمبيوتر العادي.

ولسوء الحظ، فإن إحدى العيوب المهمة للأنظمة الكمومية هي هشاشة الحالات الخاصة للكيوبتات. معظم الأجهزة المستخدمة في تكنولوجيا الكم يجب أن تبقى في درجات حرارة شديدة البرودة - قريبة من الصفر المطلق - من أجل منع تدمير هذه الحالات الخاصة بعد التفاعل مع البيئة التي يوجد فيها الكمبيوتر. يوضح الباحث: "إن أي تفاعل للكيوبت مع أي شيء آخر في بيئته سيؤدي إلى تدمير حالته الكمومية". "على سبيل المثال، إذا كانت البيئة عبارة عن غاز من الجسيمات، فإن إبقاء النظام عند درجة حرارة منخفضة للغاية سيؤدي إلى تحرك جزيئات الغاز ببطء، بحيث لا تتصادم بتردد كبير في الدوائر الكمومية."

لقد بذل الباحثون الكثير من الجهد لحل هذه المشكلة، ولكن لم يتم العثور على حل كامل بعد. في الوقت الحالي، ظهرت الدوائر الضوئية التي تشتمل على بلورات بصرية غير خطية باعتبارها الحل الوحيد المعقول لتطوير الحوسبة الكمومية بالتزامن مع أنظمة الحالة الصلبة في درجة حرارة الغرفة. ويشير الباحث إلى أن "الدوائر الضوئية تشبه إلى حد ما الدوائر الكهربائية، باستثناء أنها تستخدم الضوء بدلاً من الإشارات الكهربائية". "على سبيل المثال، يمكننا إنتاج قنوات في مادة شفافة، قنوات يمكن للفوتونات أن تتحرك فيها، تشبه الإشارات الكهربائية التي تتحرك على طول الأسلاك الموصلة للكهرباء." على عكس الأنظمة الكمومية التي تستخدم الأيونات أو الذرات لتخزين المعلومات، يمكن للأنظمة الكمومية التي تستخدم الفوتونات تجاوز حد درجة الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، لا يزال يتعين على الفوتونات أن تتفاعل مع الفوتونات الأخرى من أجل إجراء العمليات المنطقية. وهنا يأتي دور البلورات الضوئية غير الخطية.

يمكن للباحثين إنشاء تجاويف داخل البلورات، وهذه التجاويف قادرة على احتجاز الفوتونات في الداخل مؤقتًا. باستخدام هذه الطريقة، يمكن للنظام الكمي تحقيق حالتين محتملتين للكيوبت: تجويف يخزن فوتونًا (مفعلًا) وتجويفًا بدون فوتون (متوقفًا). يمكن لهذه البتات الكمومية بدورها إنشاء بوابات منطقية كمومية تنتج البنية التحتية للحالات الخاصة. بمعنى آخر، يمكن للباحثين استغلال الحالة المؤقتة للتجويف في البلورة (المليئة بالفوتونات أو الفارغة) لتمثيل الكيوبت. تعمل البوابات المنطقية على أساس اثنين من الكيوبتات معًا، مما يخلق تشابكًا كميًا بينهما. يتم إنتاج هذا التشابك تلقائيًا في الكمبيوتر الكمي، وهو الآلية المطلوبة لتطوير الأساليب الكمومية التي يمكن استخدامها في تطبيقات الاستشعار. ومع ذلك، فإن العلماء الذين يدعمون فكرة إنشاء بوابات منطقية كمومية باستخدام بلورات بصرية غير خطية، لم يعتمدوا إلا على الفرضيات - حتى الآن. وعلى الرغم من أن هذه الفكرة تظهر وعدًا كبيرًا للمستقبل، إلا أن الشكوك لا تزال قائمة حول قدرة هذه الطريقة على أن تؤدي إلى تطوير البوابات المنطقية العملية. كان تطبيق البلورات الضوئية غير الخطية موضع تساؤل حتى قدم الباحثون طريقة لتنفيذ بوابة منطقية كمومية باستخدام هذا النهج بناءً على مكونات البوابة الكمومية الموجودة. يوضح الباحث الرئيسي: "كانت المشكلة أنه إذا تحرك فوتون واحد في قناة، فإن هذا الفوتون يحمل خلفه حزمة موجية ذات شكل محدد". "بالنسبة للبوابة الكمومية، من الضروري أن تظل حزم الموجات الضوئية كما هي حتى بعد تنشيط البوابة. وبما أن اللاخطية تدمر الحزم الموجية، كان السؤال هو ما إذا كان بإمكاننا ملء الفراغ في الحزمة الموجية، وجعلها تتفاعل بشكل غير خطي ومن ثم التسبب في انبعاث الفوتونات مرة أخرى مع الحفاظ على الشكل الأصلي لحزمة الموجة. بمجرد تصميم البوابة المنطقية الكمومية المناسبة، أجرى الباحثون العديد من عمليات المحاكاة الحاسوبية لتشغيل البوابة من أجل إثبات أن مثل هذا النظام يمكن، من الناحية النظرية، أن يعمل كما هو مطلوب.

يوضح الباحثون أن البناء العملي للبوابة المنطقية الكمومية باستخدام هذه الطريقة سيتطلب في المقام الأول تحسينات كبيرة في جودة بعض المكونات الضوئية. وقال الباحث: "بناء على التقدم الذي تم تحقيقه خلال العقد الماضي، نتوقع أننا سنحتاج إلى حوالي عقد آخر من أجل تحقيق التحسينات المطلوبة". "وفي الوقت نفسه، فإن عملية شحن وإصدار حزمة موجية دون تشويه شكلها هي العملية التي ستسمح لنا بتحقيق هذه التكنولوجيا، والتي تعتبر نظرية حاليًا فقط."
تم نشر نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلمية Physical Review Letters.

تفاصيل المادة

أخبار الدراسة

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• كيف يبدو الكمبيوتر الكمي النشط من الداخل؟
• "لا تزال هناك حاجة لدراسة كيفية إجراء تصحيح الأخطاء قبل بناء كمبيوتر كمي عالمي"
• أجهزة الكمبيوتر الكمومية - حان الوقت للبدء في بناء الخبرة