نخستین تله‌پورت بین رایانه‌های کوانتومی؛ جهشی تاریخی در محاسبات آینده

1

رایانه‌های کوانتومی وعده‌هایی شگفت‌انگیز در حوزه محاسبات فوق سریع و پردازش داده‌های پیچیده می‌دهند، اما یک مانع جدی در این مسیر وجود دارد:
هرچه تعداد کیوبیت‌ها (qubits) در یک ماشین بیشتر شود، حفظ هماهنگی و پایداری آن‌ها دشوارتر می‌شود.

• دانشمندان تاکنون روش‌هایی مانند محافظت فیزیکی، اصلاح خطا و حتی چینش کیوبیت‌ها به‌صورت انباشته را آزمایش کرده‌اند، اما مشکل ناپایداری همچنان باقی مانده است.

استراتژی تازه: توزیع پردازش در چند رایانه و استفاده از تله‌پورت کوانتومی

یک آزمایش جدید، رویکرد متفاوتی را نشان داده است:

• توزیع بار پردازشی در میان چند پردازنده کوچک و
• بافتن آن‌ها به یکدیگر در زمان واقعی از طریق تله‌پورت کوانتومی

در اینجا تله‌پورت به معنای انتقال ماده در فضا نیست، بلکه انتقال وضعیت کوانتومی کیوبیت به یک کیوبیت دیگر در فاصله‌ای دور است، با استفاده از درهم‌تنیدگی (entanglement) و یک پالس سریع از داده‌های دودویی کلاسیک.

تا همین اواخر، این موضوع بیشتر در حد اثبات مفهومی بود.

اما اکنون، محققان توانسته‌اند یک گیت منطقی عملیاتی بین دو تراشه کوانتومی جدا از هم و با فاصله تقریبی ۲ متر ایجاد کنند؛ اقدامی که آینده‌ای را نوید می‌دهد که در آن، خوشه‌هایی از پردازنده‌های متوسط به‌صورت یک رایانه قدرتمند واحد عمل کنند.

آشنایی با کیوبیت و تله‌پورت کوانتومی

کیوبیت چیست؟

کیوبیت (qubit) برخلاف بیت‌های کلاسیک که صفر یا یک هستند، می‌تواند همزمان در حالت صفر و یک باشد.
اما این حالت ابرپوشانی (superposition) با کوچک‌ترین دخالت محیط خارجی فرو می‌ریزد.

چرا تله‌پورت مؤثر است؟

به‌جای انتقال فیزیکی کیوبیت که آن را در معرض اختلال قرار می‌دهد، شناسه کوانتومی آن به کیوبیتی دیگر در فاصله دور منتقل می‌شود.
در این فرایند، کیوبیت مقصد خود را طوری بازآرایی می‌کند که همان وضعیت کیوبیت اصلی را بگیرد و محاسبه ادامه می‌یابد.

جزییات آزمایش: استفاده از کیوبیت‌های شبکه و مدار

در این آزمایش:

• دو کیوبیت شبکه (network qubits) برای ارسال و دریافت سیگنال‌های نوری
• دو کیوبیت مدار (circuit qubits) برای پردازش داده‌ها به کار گرفته شدند.

ابتدا درهم‌تنیدگی بین کیوبیت‌های شبکه برقرار شد. سپس این پیوند درهم‌تنیده، امکان داد که کیوبیت‌های مدار طوری رفتار کنند که گویی در یک تراشه مشترک قرار دارند.

مزیت فاصله ۲ متری:

حتی همین فاصله کوتاه به طراحان اجازه می‌دهد بدون نیاز به بازکردن محفظه‌های خنک‌کننده بزرگ، قطعات را ارتقا، تعمیر یا تعویض کنند.

مزایای توزیع پردازنده‌ها در برابر افزایش مقیاس یکپارچه

چرا افزایش تعداد کیوبیت در یک تراشه کارآمد نیست؟

در نقشه‌های اولیه، پیش‌بینی می‌شد که با افزودن هزاران کیوبیت در یک دستگاه، قدرت پردازشی افزایش یابد.
اما با این کار، نرخ خطا نیز به‌شدت بالا رفت و نیاز به اصلاح خطا باعث شد بهره‌وری کاهش یابد.

راهکار جایگزین:

توزیع پردازش بین ماژول‌های کوچک‌تر و اتصال آن‌ها با تله‌پورت کوانتومی:

• هر ماژول کوچک باقی می‌ماند و به‌راحتی کنترل می‌شود.
• تله‌پورت در لحظه ارتباطات را برقرار می‌کند.

برتری ارتباطی:

برای اجرای یک گیت دوکیوبیتی از راه دور، فقط:

• یک جفت درهم‌تنیده و
• دو بیت کلاسیک کافی است.

مهندسان می‌توانند بارها درخواست جفت درهم‌تنیده کنند تا یک مورد سالم دریافت کنند، بدون اینکه اطلاعات کوانتومی هدر رود.
این بهره‌وری می‌تواند سال‌ها از زمان توسعه مراکز داده کوانتومی بکاهد.

معرفی آزمایش تله‌پورت کوانتومی دانشگاه آکسفورد

پس از موفقیت این آزمایش، مشخص شد که تیمی در دانشگاه آکسفورد به سرپرستی داگال مین (Dougal Main) این کار را انجام داده‌اند.

«دموهای قبلی، بر انتقال وضعیت‌های کوانتومی بین سیستم‌های جداگانه تمرکز داشتند. در مطالعه ما، تله‌پورت کوانتومی را برای ایجاد تعامل بین این سیستم‌های دور از هم به‌کار گرفتیم.»
داگال مین

روش:

• درهم‌تنیدگی دو یون ایتربیم (Ytterbium)
• ارسال داده‌های کلاسیک لازم
• بازسازی وضعیت اسپین (چرخش) در سوی دیگر با دقت ۸۶ درصد

این میزان دقت برای تشکیل یک گیت منطقی پایه کافی بود.
سپس نسخه فشرده الگوریتم جستجوی گروور (Grover’s search algorithm) را اجرا کردند.

• نتیجه: در ۷۱ درصد موارد پاسخ صحیح ارائه شد
• عامل محدودکننده: نقصات محلی در سخت‌افزار، نه مشکل در تله‌پورت

آزمایش‌های تکمیلی برای اثبات عملکرد لینک

این گروه به همین یک گیت اکتفا نکردند و:

• عملیات SWAP و iSWAP را هم انجام دادند (از اجزای اصلی مدارهای پیچیده)

جالب آنکه در این فرایند، یون‌ها از محل‌های نگهداری خود جابجا نشدند.
هر موفقیت، باور به اینکه فاصله عملکرد را کاهش می‌دهد، کمرنگ‌تر کرد.

«با اتصال ماژول‌ها از طریق لینک‌های فوتونی، سیستم ما انعطاف‌پذیری ارزشمندی پیدا می‌کند و می‌توان ماژول‌ها را ارتقا یا تعویض کرد، بدون آنکه کل ساختار دچار اختلال شود.»
داگال مین

تله‌پورت کوانتومی و اینترنت کوانتومی آینده

گام بعدی:

تله‌پورت در فواصل آزمایشگاهی تازه شروع ماجراست.
در سال ۲۰۲۰، محققان در آمریکا موفق شدند کیوبیت‌ها را در فاصله ۴۳ کیلومتری از طریق فیبر نوری منتقل کنند.

با ترکیب این قابلیت با دستاوردهای تراشه‌ای مانند آکسفورد، نقشه راه اینترنت کوانتومی شکل می‌گیرد:

• تبادل حالت‌های درهم‌تنیده بین شهرها و حتی قاره‌ها
• مدل‌سازی مولکول‌ها و داروها در سطح اتمی
• جستجوی سریع در پایگاه‌های داده
• ایجاد کلیدهای رمزنگاری ضد شنود

آینده ترکیبی:

با بلوغ سخت‌افزار، سیستم‌های ترکیبی متشکل از:

• پردازنده‌های یون به دام افتاده
• فوتونی
• اتم‌های خنثی
• نقصات الماس

همگی در کنار هم، یک موتور پردازش کوانتومی موازی عظیم تشکیل خواهند داد.

مسیر پیش رو و چالش‌ها

• افزایش دقت (Fidelity)
• افزودن کیوبیت بیشتر به هر ماژول
• خودکارسازی تولید جفت‌های درهم‌تنیده سالم

تیم آکسفورد معتقد است که حتی افزایش اندک تعداد کیوبیت‌ها می‌تواند با اجرای پروتکل‌های تصفیه، نویز را حذف و دقت عملیات را ارتقا دهد.

از سوی دیگر، شرکت‌های صنعتی در حال تدوین استانداردهای ارتباطی هستند تا آزمایشگاه‌های مختلف بتوانند ماژول‌های خود را در یک بستر مشترک تست کنند.

نتیجه‌گیری

تلاش برای ساخت یک ابررایانه کوانتومی یکپارچه، تاکنون به‌شدت دشوار و پرهزینه بوده است.
در مقابل، اتصال چند رایانه کوچک از طریق تله‌پورت کوانتومی:

• ساده‌تر
• ارزان‌تر
• مقاوم‌تر

خواهد بود.

جهش ۲ متری اخیر اثبات کرد که تله‌پورت آماده است تا از یک ترفند آزمایشگاهی، به ستون فقرات پردازشگرهای توزیع‌شده آینده تبدیل شود.

این مطالعه به‌طور کامل در مجله Nature منتشر شده است.