پژوهشگران تایوانی کوچکترین رایانه کوانتومی فوتونی جهان را رونمایی کردند
پژوهشگران دانشگاه ملی چینهوا در تایوان در یک کنفرانس مطبوعاتی اعلام کردند که موفق شده‌اند کوچکترین رایانه کوانتومی تک‌فوتونی جهان را بسازند که ابعاد آن به اندازه یک جعبه کفش است.
یک نوآوری فشرده
این تیم توانست بر موانع مهمی در گسترش محاسبات کوانتومی نظیر نیاز به شرایط دمای پایین و تقاضای انرژی بالا غلبه کند. یک فوتون منفرد با ابعاد بالا، ذره بنیادی در برهم‌کنش‌های الک‌ترومغناطیسی است که دارای یک بسته موج حاوی ۳۲ بعد اطلاعاتی می‌باشد و می‌تواند توسط این رایانه کوانتومی بسیار کوچک رمزگذاری شود.
از دست دادن اطلاعات و خطا‌های محاسباتی ناشی از ارتعاشات یا می‌دان‌های مغناطیسی از مشکلات رایج در محاسبات کوانتومی است. با این حال، فوتون‌ها به علت گستره انتقال گسترده و حساسیت کمتر به تداخل، مزیت عمده‌ای در گسترش رایانه‌های کوانتومی تجاری دارند.
برخلاف رایانه‌های معمولی که از برد‌های مداری برای انجام محاسبات بهره می‌برند، محاسبات کوانتومی از فوتونیک برای انتقال داده و از فیزیک کوانتومی برای پردازش آن استفاده می‌کنند. یک بیت کلاسیک تنها می‌تواند ۰ یا ۱ را نشان دهد، در حالی که برهم‌نهی کوانتومی به کیوبیت اجازه می‌دهد تا به طور همزمان در هر دو حالت ۰ و ۱ وجود داشته باشد. این ویژگی باعث می‌شود رایانه‌های کوانتومی بتوانند عملیات پیچیده از جمله جستجوی داده‌های بزرگ را تا ۱۰۰ می‌لیون بار سریع‌تر از رایانه‌های سنتی انجام دهند.
در سال ۲۰۲۱ محققان دانشگاه اینسبروک یک پردازنده کوانتومی فشرده را توسعه دادند که در دو ردیف سرور استاندارد با حجم ۱.۷ متر مکعب قرار داشت و تا ۵۰ کیوبیت را پشتیبانی می‌کرد. آن دستگاه از کیوبیت‌های نوری مبتنی بر یون کلسیم بهره می‌برد که درهم‌تنیدگی آن‌ها توسط پالس‌های لیزری تشکیل می‌شد.
محاسبات مبتنی بر فوتون
فوتونیک با دقت بر دوام و مقیاس‌پذیری، پلتفرم نویدبخشی برای استقرار فناوری‌های کوانتومی نشان داده است. در این مطالعه تازه، محققان الگوریتم شور را با بهره‌گیری از یک فوتون با رمزگذاری و دستکاری ۳۲ حالت زمان‌بندی در بسته موج آن با موفقیت پیاده‌سازی کردند. این دستاورد قابلیت‌های قوی پردازش اطلاعات یک فوتون منفرد در ابعاد بالا را برجسته می‌سازد.
به گفته این تیم، با تعدیل‌کننده‌های الک‌ترواپتیک تجاری حاضر که قادر به ارائه پهنای باند ۴۰ گیگاهرتزی هستند، می‌توان بیش از ۵۰۰۰ حالت زمان‌بندی را روی فوتون‌های منفرد طویل رمزگذاری کرد. اگرچه مدیریت حالت‌های با ابعاد بالا می‌تواند چالش‌برانگیز‌تر از کار با کیوبیت‌ها باشد، اما این تحقیق نشان می‌دهد که می‌توان این حالت‌ها را با بهره‌گیری از یک حلقه فیبر قابل برنامه‌ریزی فشرده آماده و به طور مؤثر دستکاری کرد.
علاوه بر این، دروازه‌های کوانتومی با ابعاد بالا می‌توانند با بهره‌گیری از فوتون‌های متعدد برای مقیاس‌پذیری، می‌زان دستکاری را افزایش دهند. تحقیقات مشخص می‌کند که حالت‌های با ابعاد بالا در برابر نویز در کانال‌های کوانتومی مقاوم‌تر هستند و حالت‌های کدگذاری شده با زمان، فوتون‌های منفرد طویل را برای محاسبات کوانتومی با ابعاد بالا در آینده امیدوارکننده می‌سازند.
فوتون‌ها مزایای قابل توجه‌ی را برای کاربرد‌های تجاری با امکان انتقال اطلاعات از راه دور با تداخل اندک فراهم می‌کنند. این تیم در کنفرانس مطبوعاتی تأکید کرد که این ابزار کوانتومی کوچک مبتنی بر فوتون، برخلاف بسیاری از رایانه‌های کوانتومی در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی پیشرو، بدون نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده عظیم عمل می‌کند. آن‌ها این کشف را نشان‌دهنده یک پیشرفت بزرگ در حوزه فناوری‌های کوانتومی خواندند.
کاربرد‌های بالقوه محاسبات کوانتومی فوتونیک در حوزه‌هایی نظیر امنیت داده‌ها، هوش مصنوعی و تحقیقات پزشکی ذکر شده است. این تیم ادعا می‌کند که با بهره‌گیری از خواص منحصر به فرد فوتون‌ها، این شکل از محاسبات کوانتومی می‌تواند راه‌حل‌های سریع‌تر و کارآمد‌تری برای مسائل پیچیده ارائه دهد و آن را به ابزاری قوی در پیشبرد عرصه‌های گوناگون علم و فناوری تبدیل کند. جزئیات این تحقیقات در مجله منتشر شده است.