رایانه‌های کوانتومی آینده مدیون تحقیقات دو فیزیکدان ایرانی
سیناپرس: . این پژوهش می‌تواند به تولید نسل بعدی رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا منجر شود.
محاسبات کوانتومی توپولوژیکی یا TQC یکی از جدیدترین محاسبات کوانتومی است که به جای به کارگیری ذرات واقعی مانند یون‌ها و الکترون‌ها، بیشتر از بافتن مسیر ذرات استفاده می‌کند. در این نوع از محاسبات کوانتومی، بافتن مسیر ذرات به عنوان کیوبیت‌ها در اجرای محاسبات به کار می‌روند. استفاده از بافتن مزیت مهمی دارد زیرا محاسبات کوانتومی توپولوژیکی را در برابر اختلال‌های کوچک محیطی ایمن می‌کند. این اختلالات در کیوبیت‌های بر پایه ذره، باعث ایجاد عدم هم‌فازی شده و نرخ خطای بالایی ایجاد می‌کنند.
شاخص‌های ضعیف قدیمی
قبل از اینکه برای اولین بار محاسبات کوانتومی توپولوژیکی در سال ۱۹۹۷ پیشنهاد شود، تشخیص تجربی بافت‌های مناسب دشوار بود. یکی از دلایل دشواری تشخیص این بود که بافتن از خط سیرهای ذرات متداول تشکیل نمی‌شوند بلکه از خط سیر شبه ذرات (برانگیختگی‌های ذره مانند) کم نظیری به نام انیون ها ایجاد می‌شوند. همچنین جابجایی انیون‌ها باید غیرآبلی باشد. ویژگی غیر آبلی شبیه خاصیت غیر جابجایی‌پذیری است به صورتی که در انیون‌های غیرآبلی تغییر جهت جابجایی‌های انیون، مسیر نهایی را تغییر می‌دهد. متاسفانه در اکثر طرح‌های پیشنهادی TQC تا کنون شاخص آمار غیرآبلی انیون‌ها حتی در تئوری نیز به اندازه کافی قدرتمند نبودند.
رایانه‌های کوانتومی
علم محاسبات کوانتوم در اصل، بر مبنای علم مکانیک کوانتوم پایه‌ریزی شده است. در این علم، کوچکترین واحد اطلاعات، «کیوبیت» نام دارد که مخفف کوانتوم بیت است. تنها تفاوت کیوبیت با بیت در این است که کیوبیت می‌تواند در هر لحظه، تعداد بی‌شماری مقدار مختلف به خود اختصاص دهد.
رایانه‌های کوانتومی نیز بر اساس همین نظریه طراحی می‌شوند. از نقطه نظر محاسباتی، هیچ تفاوتی بین رایانه شخصی و یک رایانه کوانتومی وجود ندارد. زیرا رایانه‌های کوانتومی نیز بر اساس چهار عمل اصلی یعنی جمع، تفریق، ضرب و تقسیم کار می‌کنند. تنها تفاوت عمده و بارز رایانه‌های کوانتومی در قدرت باورنکردنی آنها در انجام محاسبات گوناگون به شکل موازی و نهفته است.
محاسبات کوانتومی توسط یک اغتشاش کوچک به راحتی مستعد قطع شدن هستند اما انسجام رایانه‌های کوانتومی توپولوژیک توسط اغتشاشات به هم نمی‌ریزد.
پژوهش جدید فیزیکدانان ایرانی
در تحقیق جدیدی که توسط دو فیزیکدان ایرانی به نام ابوالحسن واعظی از دانشگاه کرنل آمریکا و میثم بارکشلی از آزمایشگاه تحقیقاتی مایکروسافت صورت گرفت به صورت نظری نشان داده شد که تونل‌زنی انیون‌ها در یک سیستم دولایه می‌تواند آنها را به حالت غیرآبلی بی‌نظیری حاوی انیون‌های فیبوناچی منتقل کند که به اندازه کافی برای استفاده در محاسبات TQC جهانی قدرتمند هستند.
دکتر واعظی در این باره گفت: «کار تحقیقاتی ما نشان می‌دهد برخی از تنظیمات تجربی موجود برای رسیدن به فازی که قادر به عملکرد TQC جهانی باشد به اندازه کافی توانمند هستند. برای مثال تمامی گیت‌های منطقی مورد نیاز برای عملکرد یک رایانه کوانتومی تنها می‌توانند توسط بافت انیون‌ها ساخته شوند. از آنجایی‌که بافتن شبه ذرات یک عمل توپولوژیکی است و در انرژی پایین دچار آشفتگی نمی‌شود، در نتیجه رایانه کوانتومی حاصل مقاوم به خطا است. همچنین این الگوها پایداری بیشتری نسبت به ذرات به دام افتاده دارند.»
این دو فیزیکدان بر اساس پژوهش‌های قبلی که نشان می‌داد انیون‌ها می‌توانند بر اساس اثر کوانتومی هال جزئی به وجود آیند، کار مطالعاتی خود را آغاز کردند. آنها برای تشخیص این اثر، گاز الکترونی دوبعدی را بین دو صفحه نیمه‌هادی صاف محبوس کردند.
با پایین آوردن دما تا نزدیکی صفر مطلق و قرار دادن در معرض میدان‌های مغناطیسی قوی، برانگیختگی‌هایی در گاز الکترون دوبعدی تشکیل می‌شود که باعث ایجاد شدن انیون‌ها می‌گردد. تا کنون تنها انیون‌های آبلی در سیستم‌های کوانتوم هال جزئی تشخیص داده شده بودند اما مطالعات نشان می‌داد که انیون‌های غیرآبلی هم ممکن است در این سیستم‌ها وجود داشته باشند.
در مطالعه جدید، دانشمندان یک سیستم کوانتوم هال جزئی دو لایه در نظر گرفتند که در آن انیون‌ها می‌توانند بین دولایه تونل ایجاد کنند. آنها با مدل‌سازی این سیستم روی یک چنبر نشان دادند که تونل‌زنی به اندازه کافی بزرگ می‌تواند باعث تشکیل شش حالت پایه ( در فیزیک کوانتوم حالتی‌است که سیستم کمترین انرژی خود را دارد) مربوط به شش نوع متمایز توپولوژیکی از شبه‌ذرات شود. یکی از این نوع شبه‌ذرات انیون فیبوناچی است.
واعظی در این رابطه توضیح داد:« انیون فیبوناچی مربوط به همان دنباله فیبوناچی مشهور و نسبت طلایی یا عدد فی ۱٫۶۱۸۰۳۳… است.»
در دنباله فیبوناچی هر عدد در دنباله مجموع دو عدد قبلی است و نسبت هر عدد در دنباله به عدد قبلی به طور تقریبی برابر با عدد فی است. به خاطر ویژگی‌های کوانتومی انیون فیبوناچی مخصوصا ویژگی‌های موسوم به قاعده گداخت حاکم بر اسپین ذرات چنین الگوهای ریاضی در آن ایجاد می‌شوند.
واعضی ادامه داد:«انیون فیبوناچی یک انیون غیرآبلی است که بعد کوانتومی آن نسبت طلایی است و همچنین ساده‌ترین انیونی است که قادر به محاسبات کوانتومی جهانی می‌باشد. با استفاده از قانون هم‌جوشی در انیون‌های فیبوناچی می‌توان نشان داد که از بین رفتن حالت پایه در حضور n انیون فیبوناچی مجزا روی یک کره، در عدد nام دنباله فیبوناچی اتفاق می‌افتد.»
آنچه انیون فیبوناچی را در کاربردهای TQC مناسب می‌کند ماهیت آماری بافتنی آن یا نحوه حرکت این شبه ذرات در اطراف یکدیگر است که بافت‌ها و گره‌های مسیرها را ایجاد می‌کنند. سه یا چهار انیون فیبوناچی ممکن است با یک تک کیوبیت و آمار بافتنی آنها با یک گیت تک کیوبیتی معادل شوند اما ساخت گیت‌های چند کیوبیتی نیازمند بافت چندین کیوبیت به صورت تودرتو است.
پژوهشگران توضیح می‌دهند که اگر به شبه‌ذرات به چشم دیواره‌های یک قلمرو نگاه شود، این دیواره‌ها الگوهای متفاوت حالت پایه الکترون را مجزا از هم خواهند ساخت. به این صورت که شبه‌ذرات مختلف بارهای الکتریکی متفاوتی دارند لذا الگوهای الکترونی مختلف را از هم جدا می‌کنند. از این لحاظ، انیون فیبوناچی به دلیل جدا کردن الگوهای حالت پایه در کاربردهای TQS بسیار خوش‌آیند است. پژوهشگران همچنین نشان می‌دهند که یافته‌های آنها در مورد تونل‌زنی بین لایه‌ای در انیون‌های فیبوناچی نتیجه‌ای است که به روش‌های مختلف قابل اثبات است. به علاوه آنها احتمال می‌دهند که انیون‌های فیبوناچی در آزمایش‌های پیشین سیستم‌های کوانتوم هالی دو لایه مورد تشخیص واقع شده باشند هرچند آن آزمایش‌ها به طور خاص به دنبال چنین انیون‌هایی نبوده‌اند.
واعظی در پایان گفت: «برای امتحان این پیش‌بینی، ما به صورت عددی حالت‌های کوانتومی هال دولایه با تعدادی از برهم‌کنش‌های بین‌لایه‌ای مطالعه می‌کنیم و به دنبال یافتن فازهای غیرآبلی و به ویژه انیون‌های فیبوناچی با دو سوم حالت در آنها هستیم.»
No tags for this post.
