فیزیک‌دانان مودمی برای اتصال رایانه‌های کوانتومی طراحی کردند

پاورتل/ محققان با به‌کار‌گیری اتاقک آینه‌ای کوچک، مودم بسیار سریع و کارآمدی برای تحقق‌بخشی اینترنت کوانتومی معرفی کردند.
   
فیزیک کوانتوم نه‌تنها در محاسبات کوانتومی، بلکه در اینترنت کوانتومی، نسل بعدی بستر انتقال داده از مکانی به مکان دیگر، نوید پیشرفت‌های بزرگی را می‌دهد. به‌تازگی، دانشمندان فناوری جدیدی اختراع کردند که برای استفاده به‌عنوان مودم کوانتومی مناسب است و می‌تواند وظیفه‌ی درگاه شبکه را برعهده گیرد.

آنچه باعث برتری اینترنت کوانتومی بر اینترنت معمولی و موجود که اکنون ازطریق آن می‌توانید متن حاضر را بخرید، امنیت آن است. تداخل با داده‌های در حال انتقال ازطریق شیوه‌های کوانتومی به قطع ارتباط منجر خواهد شد. این فناوری نفوذناپذیرترین بستر ارتباطی است که می‌توانید تجربه کنید.

تبدیل اینترنت کوانتومی از حالت بالقوه به واقعیت، همچون فرایند ساخت انواع تجاری رایانه‌‌های کوانتومی، به‌دلیل فیزیک بسیار پیچیده زمان‌بر است. مودم کوانتومی می‌تواند قدم بسیار مهمی در رسیدن به این فناوری باشد. آندریاس رایزرر، فیزیک‌دان مؤسسه‌ی ماکس پلانک آلمان، در‌این‌باره می‌گوید:

در آینده از اینترنت کوانتومی برای برقراری ارتباط بین رایانه‌های کوانتومی واقع در نقاط مختلف استفاده می‌شود. ارتباط مذکور می‌تواند توان محاسباتی این رایانه‌ها را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.
رایانش کوانتومی حول ایده‌ی کیوبیت (Qubit) ساخته شده است که برخلاف بیت‌های رایانه‌های کلاسیک، می‌تواند چندین حالت را هم‌زمان در خود ذخیره کند. تحقیق جدید روی اتصال کیوبیت‌های ثابت در کامپیوتر کوانتومی با کیوبیت‌های متحرک متمرکز است که بین این کامپیوترها در حال حرکت هستند.

نحوه‌ی رو‌به‌روشدن با داده‌های ذخیره‌شده براساس فیزیک کوانتوم با ظرافتی خاص بسیار دشوار است. در این مودم کوانتومی، از فوتون‌ها برای ذخیره‌ی اطلاعات کوانتومی در حال عبور استفاده شده است. فوتون‌های مذکور دقیقا با طول‌ موج مادون‌قرمز نور لیزر تنظیم شده‌اند که امروزه در سیستم‌های ارتباطی به‌کار می‌رود. موضوع مذکور مزیتی اساسی برای این سیستم نوین است؛ چراکه با شبکه‌های موجود فیبر نوری سازگار است و راه را برای پیشرفت کوانتومی هموارتر می‌کند.

محققان در بررسی این موضوع که چگونه می‌توان کیوبیت‌های ذخیره‌شده را با فوتون‌های مادون‌قرمز واکنش داد، تشخیص دادند که عنصر اربیوم و الکترو‌ن‌های موجود در آن برای این منظور مناسب هستند. بااین‌حال، اتم‌های اربیوم به‌طور طبیعی به انجام جهش کوانتومی لازم بین دو حالت تمایلی ندارند. برای فراهم‌کردن این امکان، اتم‌های ساکن اربیوم و فوتون‌های در حال حرکت مادون‌قرمز، تا زمانی‌که باهم سازگار شوند، در هم قفل می‌شوند.

فهم درست چکونگی انجام این کار منوط به محاسبه‌ی دقیق فضا و شرایط موردنیاز است. در این مودم، محققان اتاقک آینه‌ای مینیاتوری را در اطراف کریستال ساخته‌شده از ترکیب سیلیکات ایتریوم نصب کردند. سپس، دمای این مجموعه تا دمای منفی ۲۷۱ درجه‌ی سانتی‌گراد کاهش داده شد.

کریستال سردشده اتم‌های اربیوم را به‌اندازه‌ی کافی برای ایجاد برهم‌کنش با فوتون‌ها پایدار نگه می‌دارد. در همین حین، آینه‌ها باعث ده‌ها‌هزار رفت‌و‌برگشت فوتون‌ها مادون‌قرمز می‌شود و درنتیجه، ده‌ها‌هزار موقعیت مناسب برای وقوع جهش کوانتومی ایجاد می‌کند. پژوهشگران معتقدند که استفاده از آینه‌ها این مجموعه را ۶۰ برابر سریع‌تر و کارآمدتر از حالتی می‌کند که در آن از آینه‌ها استفاده نمی‌شود.

به‌محض وقوع جهش بین دو حالت، داده‌ی مدنظر می‌تواند به جایی دیگر منتقل شود. این انتقال داده مجموعه‌ی جدیدی از مشکلات را ایجاد می‌کند که دانشمندان مشغول کار روی راه‌حل آن‌ها هستند. همانند بسیاری از پیشرفت‌های حاصل‌شده در فناوری کوانتوم، مدتی طول می‌کشد تا این دستگاه از آزمایشگاه به دنیای واقعی قدم بگذارد؛ اما این دستاوردی مهم است. همچنین، مطالعه‌ی مذکور می‌تواند به پیشرفت در حوزه پردازنده‌های کوانتومی و تکرارکننده‌های کوانتومی (دستگاهی برای انتقال اطلاعات در مسیرهای طولانی) نیز کمک کند.

محققان بر این باورند که سیستم ساخته‌شده در عین حفاظت بی‌نظیر از خواص کوانتومی حساس کیوبیت‌ها، بر‌همکنش‌های مؤثری بین نور و کیوبیت‌های حالت جامد امکان‌پذیر می‌کند. نتایج این پژوهش در نشریه‌ی Physical Review X منتشر شده است.