دانشمندان چینی بلوک ساختمانی فوقالعاده پایدار برای کامپیوترهای کوانتومی ساختند
🔸فیزیکدان پن جیانوی و تیمش حالت عجیب و غریب جدیدی از ماده را شبیهسازی کردند که دارای «زره کوانتومی» در برابر خطاها و نویز است.
شبیهسازی حالت جدید ماده با «زره کوانتومی»
دانشمندان چینی با استفاده از پردازنده کوانتومی زوچونگژی ۲ (که در اینجا بهصورت تصویرسازی نشان داده شده) یک «بلوک لگویی کوانتومی» ساختهاند که حتی وقتی تکان داده میشود، فرو نمیپاشد.
تیم پن با استفاده از پردازنده کوانتومی قابل برنامهریزی به نام زوچونگژی ۲، یک حالت عجیب و غریب جدید از ماده را شبیهسازی کردهاند که در آن اثرات کوانتومی در گوشههای ماده قفل شدهاند؛ این یافته در مقالهای که در مجله معتبر Science منتشر شد، اعلام گردید. این حالتهای گوشهای توسط قوانین عمیق توپولوژی محافظت میشوند — نوعی زره کوانتومی در برابر خطاها و نویز.
این دستاورد نخستین تحقق تجربی چیزی است که دانشمندان آن را «فازهای توپولوژیکی مرتبه بالاتر غیرتعادلی» مینامند. این فازها راه جدیدی برای ذخیره اطلاعات کوانتومی ارائه میدهند که بهراحتی از بین نمیرود — مشکلی که تا کنون یکی از بزرگترین چالشهای ساخت کامپیوترهای کوانتومی بوده است.
نقش پن جیانوی در رقابت جهانی کوانتوم
پن جیانوی، استاد دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) که زمانی مجله Nature او را «پدر کوانتوم» نامید، اکنون یکی از جسورانهترین گامها را در مسابقه فناوری با آمریکا برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی عملی و مقاوم در برابر خطا برداشته است.
در این مقاله، پن و همکارانش از USTC و دانشگاه شانشی روشی برای شبیهسازی و شناسایی این حالتهای ماده بسیار پیچیده و عجیب نشان دادند که بهجای سطوح یا لبهها، گوشهها یا لولاهای فوقالعاده پایدار دارند.
این نوع جدید ماده که در طبیعت وجود ندارد، میتواند به کامپیوترهای کوانتومی اجازه دهد حتی در حضور خطا یا نویز نیز بهدرستی کار کنند — محدودیتی که در حال حاضر بهدلیل حساسیت بالای کیوبیتها (واحدهای بنیادی اطلاعات کوانتومی) به محیط اطراف، پیچیدگی ماشینها را محدود کرده است.
این کامپیوترها قادر خواهند بود محاسبات در مقیاس بزرگ انجام دهند که میتواند کشف دارو، هوش مصنوعی پیشرفتهتر و شبیهسازیهای محیطی را ممکن سازد.
تعریف توپولوژی در ریاضیات
تیم تحقیقاتی در مقاله نوشتند: «در این مطالعه، ما هر دو فاز توپولوژیکی مرتبه بالاتر تعادلی و غیرتعادلی را با استفاده از یک پردازنده کوانتومی ابررسانای قابل برنامهریزی دوبعدی پیادهسازی کردیم.»
توپولوژی شاخهای از ریاضیات است که ویژگیهای کلی (ویژگیهایی که به کل شیء مربوط میشود) فضاهای هندسی را مطالعه میکند.
طبق آکادمی سلطنتی علوم سوئد، سطوح اگر بتوانند کشیده، خم یا فشرده شوند اما پاره یا چسبانده نشوند، از نظر توپولوژیکی یکسان (ناوردا) هستند. برای مثال، یک کره را میتوان بدون پاره کردن یا چسباندن به شکل مکعب درآورد، اما نمیتوان آن را به شکل دونات درآورد. در مقابل، دونات و فنجان قهوه از نظر توپولوژیکی یکسان هستند چون هر دو یک سوراخ دارند.
فازهای معمول ماده عبارتند از مایع، گاز و جامد. اما مواد همچنین میتوانند حالتهای کوانتومی عجیب و غریبی مانند فازهای توپولوژیکی داشته باشند. این حالتها در فیزیک ماده چگال بسیار مورد توجه هستند زیرا مواد توپولوژیکی میتوانند نسل جدیدی از الکترونیک، ابررساناها و کامپیوترهای کوانتومی پیشرفته را به ارمغان بیاورند.
از زمان کشف فازهای توپولوژیکی در دهه ۱۹۸۰، تحقیقات عمدتاً بر فازهای تعادلی متمرکز بوده — یعنی سیستمهایی که ویژگیهایشان در طول زمان ثابت و پایدار است. اما در سالهای اخیر، مطالعه فازهای توپولوژیکی به سیستمهای غیرتعادلی نیز گسترش یافته است — سیستمهایی که مدام در حال تغییرند و میتوانند با نیروهای خارجی مانند میدان الکتریکی یا لیزر تحریک شوند.
این اشکال جدید نظم میتوانند مرزهای جدیدی در تحقیقات بنیادی بگشایند و کاربردهایی در توسعه کامپیوترهای کوانتومی پیشرفتهتر داشته باشند.
دستیابی به فازهای توپولوژیکی مرتبه بالاتر (که اثرات کوانتومی را در مناطق کوچکتری مانند گوشهها یا لولاها متمرکز میکنند) در حالت غیرتعادلی بهدلیل نبود روشهای مؤثر برای آزمایش ویژگیهایشان دشوار بوده است.
تیم پن با استفاده از بخشی از مدل ۶۶ کیوبیتی زوچونگژی ۲ توانست شبیهسازی کوانتومی و شناسایی هر دو نوع فاز توپولوژیکی تعادلی و غیرتعادلی را انجام دهد.
پردازندههای کوانتومی قابل برنامهریزی مانند زوچونگژی ۲ را میتوان برای اجرای وظایف مختلف دوباره پیکربندی کرد، درست مانند یک کامپیوتر کلاسیک با واحد پردازش مرکزی.
در مقایسه با پردازندههای کوانتومی غیرقابل برنامهریزی، اینها انعطافپذیری بسیار بیشتری دارند که برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی همهمنظوره ضروری است.
تیم تحقیقاتی از مدارهای کوانتومی روی آرایه ۶×۶ کیوبیتی برای برنامهریزی فازهای توپولوژیکی مرتبه بالاتر غیرتعادلی استفاده کرد و روشی برای شناسایی این ویژگیها از طریق اندازهگیری دینامیک در حال تغییر آن در طول زمان توسعه داد.
آنها نوشتند: «مطالعه ما همچنین امکان جذابی را ارائه میدهد که از پردازندههای کوانتومی در مقیاس متوسط پرنویز فعلی برای کاوش جهانی مواد توپولوژیکی سفارشی — چه با برهمکنش و چه بدون آن، چه در تعادل و چه خارج از تعادل — استفاده شود.»
Post Comment