رمان «یخچال کوانتومی» در پاک کردن تخته سیاه رایانه کوانتومی عالی است

اگر می خواهید یک مسئله ریاضی را روی یک تخته گچی خوب و قدیمی حل کنید، می خواهید تخته تمیز و عاری از هرگونه علامت قبلی باشد تا فضایی برای کار داشته باشید. کامپیوترهای کوانتومی نیاز مشابهی به فضای کاری تمیز دارند و تیمی متشکل از دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) راهی نوآورانه و موثر برای ایجاد و نگهداری از آن یافته اند.

تلاش تحقیقاتی، با همکاری فیزیکدانان سوئد دانشگاه صنعتی چالمرز، می تواند یکی از مسائل اصلی را که طراحان کامپیوترهای کوانتومی با آن مواجه هستند، حل کند: نیاز به نگه داشتن بیت ها در یک پردازنده کوانتومی ابررسانا عاری از خطا و آماده برای انجام محاسبات در صورت لزوم. این «کیوبیت‌ها» به شدت به گرما و تشعشع حساس هستند، که می‌تواند محاسبات آنها را خراب کند، درست همانطور که علائم گچی سرگردان ممکن است عدد 1 را شبیه به 7 کند.

پاک کردن این کیوبیت ها پس از محاسبه شامل سرد کردن آنها تا کسری از درجه بالای صفر مطلق و سپس نگه داشتن آنها در آنجا است. روش تیم نه تنها به دلیل دمای پایین‌تری که به تخته سیاه کیوبیت می‌دهد، مؤثرتر از سایر روش‌های پیشرفته‌تر برای پاک کردن تخته سیاه کیوبیت است، بلکه به روشی جدید نیز به آن دست می‌یابد – برق‌رسانی به پاک کن با استفاده از جریان گرما بین دو قسمت. یخچالی که کامپیوتر را سرد نگه می دارد. این رویکرد می تواند خود را از راه های دیگری نیز مفید نشان دهد.

نیکول یونگر هالپرن، فیزیکدان این تیم در NIST و مرکز مشترک اطلاعات کوانتومی و علوم کامپیوتر دانشگاه مریلند، گفت: «تکنیک در این مقاله می‌تواند برای رایانه‌های کوانتومی مفید باشد».QuICS). این می‌تواند یکی از مشکلات طراحی کامپیوتر کوانتومی را برطرف کند و همچنین نشان می‌دهد که می‌توانیم گرما را از یک قسمت از یخچال کامپیوتر خارج کنیم و گرما را به کار تبدیل کنیم. این می تواند قابلیت های تکنولوژیکی را معرفی کند که ما هنوز به آن فکر نکرده ایم.»

اثبات اثبات اصول این روش امروز در مجله ظاهر می شود فیزیک طبیعت.

اگرچه کامپیوترهای کوانتومی تا رسیدن به بلوغ فاصله زیادی دارند، اما همچنان موضوع تحقیقات شدید هستند زیرا پتانسیل انجام وظایف خاصی را ارائه می دهند که کامپیوترهای معمولی نمی توانند به راحتی انجام دهند، از جمله شبیه سازی ساختارهای مولکولی پیچیده که در طراحی دارو مهم هستند. این قابلیت های پیش بینی شده از تفاوت بین کیوبیت ها و بیت ها در یک کامپیوتر معمولی ناشی می شود: در حالی که یک بیت معمولی می تواند در دو حالت 1 یا 0 وجود داشته باشد، یک کیوبیت می تواند هر دو مقدار را به طور همزمان داشته باشد و به طور اسمی به یک کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهد تعداد زیادی از آنها را غربال کند. راه حل های بالقوه یکباره

یک راه امیدوارکننده برای ساخت کیوبیت‌ها، ساختن آنها از مدارهای ابررسانا است که گروهی در مطالعه خود از آن استفاده کردند. کیوبیت‌های ابررسانا مزایایی از جمله تنظیم‌پذیری به همراه دارند: آزمایش‌گران می‌توانند خواص کیوبیت‌ها را به دلخواه تغییر دهند. با این حال، کیوبیت ها – حتی آنهایی که ابررسانا هستند – می توانند خیلی سریع خطا ایجاد کنند که می تواند محاسبات را خراب کند.

پاک کردن یک کیوبیت ابررسانا به معنای بازنشانی آن به پایین‌ترین حالت انرژی است که ثابت شده است مشکل است. یک راه موثر برای تنظیم مجدد کیوبیت این است که آن را تا حد ممکن سرد کنیم، تا ده‌ها میلی‌کلوین (mK)، یا هزارم درجه بالاتر از صفر مطلق. تا به حال، بهترین روش های بازنشانی کیوبیت ها را به محدوده 40-49 mK رسانده است. عامیر علی، یکی از نویسندگان و فیزیکدان کوانتومی از دانشگاه فناوری چالمرز، جایی که کار آزمایشی این تیم با نظارت محقق اصلی سیمون گاسپارینتی انجام شد، گفت: اگرچه این اعداد ممکن است خوب به نظر برسند، اما به اندازه کافی خوب نیستند.

علی می‌گوید: «در رایانه‌های کوانتومی، خطاهای اولیه می‌توانند با ادامه محاسبات ترکیب شوند. “هرچه بیشتر بتوانید در همان ابتدا از شر آنها خلاص شوید، بعداً در تلاش بیشتر صرفه جویی خواهید کرد.”

روش تیم می تواند کیوبیت را تا 22 mK خنک کند. این بهبود، برد را کاملاً پاک می‌کند و احتمال خطاهای اولیه که باعث ایجاد مشکل در خط می‌شود را کاهش می‌دهد.

یونگر هالپرن گفت: “اگر کیوبیت را تا آن دمای پایین خنک نمی کردید، نمی توانید برد را به خوبی پاک کنید.”

این تیم با استفاده از تکنیک «تبرید کوانتومی» که قبلاً هرگز در یک ماشین عملی مهار نشده بود، به این اعداد عملکرد دست یافتند. یخچال اجسام را با استفاده از نوعی انرژی خنک می کند تا گرما را از داخل یخچال خارج کند. در یک یخچال معمولی آشپزخانه، منبع انرژی الکتریسیته است، اما یخچال کوانتومی از گرمای جاهای دیگر کامپیوتر برای انجام کار استفاده می کند.

یخچال این تیم از دو بیت کوانتومی دیگر به عنوان اجزای خود استفاده می کند. یک کیوبیت، که به بخش گرمتر کامپیوتر متصل می شود، به عنوان منبع انرژی عمل می کند. بیت کوانتومی دوم به عنوان یک هیت سینک عمل می کند که گرمای اضافی نامطلوب کیوبیت محاسباتی می تواند در آن جریان یابد. در یک کامپیوتر کوانتومی واقعی، اگر کیوبیت محاسباتی – تخته سیاه – بیش از حد گرم شود، اولین کیوبیت یخچال، گرما را از کیوبیت محاسباتی به درون هیت سینک پمپ می کند، که گرما را دور می کند و کیوبیت محاسباتی را به حالت اولیه باز می گرداند. و پاک کردن تابلو

این فرآیند به طور مستقل کار می کند و به حداقل کنترل خارجی یا منابع اضافی برای حفظ توانایی محاسبه کیوبیت محاسباتی نیاز دارد.

علی گفت: “ما فکر می کنیم این رویکرد راه را برای محاسبات کوانتومی قابل اعتمادتر هموار می کند.” مدیریت خطاها در کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر سخت است. نزدیک‌تر شدن به حالت پایه، خطاهای کمتری را به وجود می‌آورد که برای تصحیح آن‌ها نیاز دارید، و خطاها را قبل از وقوع کاهش می‌دهد.»

---

مقاله: MA Aamir، PJ Suria، JAM Guzmán، C. Castillo-Moreno، JM Epstein، N. Yunger Halpern و S. Gasparinetti. یخچال کوانتومی حرارتی به طور مستقل یک کیوبیت ابررسانا را بازنشانی می کند. فیزیک طبیعت. منتشر شده آنلاین 9 ژانویه 2025. DOI: 10.1038/s41567-024-02708-5