امکان عملکرد مدارهای کوانتومی در دمای اتاق

پژوهشگران نظامی پیش‌بینی می‌کنند که مدارهای کامپیوترهای کوانتومی برای کار کردن دیگر نیازی به دمای بسیار پایین ندارند و این موضوع پس از گذشت یک دهه، اکنون می‌تواند به واقعیت تبدیل شود.
سایت phys.org در گزارشی نوشته است: سال‌ها فناوری کوانتومی حالت جامد که بتواند در دمای اتاق کار کند، دور از ذهن به‌نظر می‌رسید. اگرچه استفاده از کریستال‌های نوری غیرخطی به‌عنوان محتمل‌ترین مسیر رسیدن به این نقطه عطف ابداع شده بود، اما باورپذیری وجود چنین سیستمی همیشه مورد سؤال بود. اکنون پژوهشگران نظامی به‌طور رسمی اعتبار این رویکرد را تأیید کرده‌اند. کرت جاکوبز عضو مرکز تحقیقات و توسعه ارتش آمریکا به همراه میکل هوک و دیرک انگلاند از انستیتو فناوری ماساچوست، نخستین کسانی بودند که امکان‌پذیری یک دروازه منطقی کوانتومی را که متشکل از مدارهای فوتونی و کریستال‌های نوری است، نشان دادند. دروازه منطقی کوانتومی یا به زبان ساده‌تر دروازه‌ کوانتومی به یک مدار پایه‌ کوانتومی گفته می‌شود که روی چند کیوبیت عمل می‌کند.
هوک می‌گوید: اگر دستگاه‌های آینده که از فناوری‌های کوانتومی استفاده می‌کنند، نیاز به خنک کردن در دمای بسیار پایین داشته باشند، در این صورت آنها بسیار پرهزینه و حجیم خواهند بود و نیاز به انرژی زیادی دارند. پژوهش‌های ما با هدف توسعه مدارهای فوتونیک آینده انجام شده است که می‌توانند نیازهای دستگاه‌های کوانتومی را در دمای اتاق مدیریت کنند. فناوری کوانتوم طیف وسیعی از پیشرفت‌های آینده مانند محاسبات، ارتباطات و سنجش از دور کاربرد دارد. رایانه‌های کلاسیک و قدیمی برای انجام هر کاری، با استفاده از اطلاعاتی که کاملا مشخص است، کار می‌کنند. اطلاعات در بیت‌های زیادی ذخیره می‌شوند که هریک از آنها می‌توانند فعال یا غیرفعال باشند. هنگامی که به یک کامپیوتر کلاسیک، به‌وسیله تعدادی بیت، ورودی مشخصی داده می‌شود، کامپیوتر می‌تواند این ورودی را برای ارائه یک پاسخ پردازش کند. کامپیوتر کلاسیک یک ورودی را فورا پردازش می‌کند. درحالی‌که کامپیوترهای کوانتومی اطلاعات را در کیوبیت‌ها ذخیره می‌کنند که می‌توانند در یک حالت عجیب، همزمان هم فعال و هم غیرفعال باشند. این ویژگی باعث می‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی به‌طور همزمان پاسخ بسیاری از ورودی‌ها را کشف کند. اگرچه کامپیوتر کوانتومی نمی‌تواند همه پاسخ‌ها را به‌عنوان خروجی، یکباره ارائه کند، اما می‌تواند رابطه‌ای بین این پاسخ‌ها ایجاد کند که این کار به شما امکان می‌دهد بعضی از مشکلات را خیلی سریع‌تر از یک کامپیوتر کلاسیک رفع کنید. در پردازش کوانتومی، یک کیوبیت یا بیت کوانتومی واحد پایه‌ در پردازش کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی است که مشابه بیت در رایانه‌های کلاسیک عمل می‌کند. متأسفانه یکی از اشکالات عمده سیستم‌های کوانتومی شکنندگی این حالت‌های عجیب کیوبیت است. بیشتر سخت افزارهای آینده در فناوری کوانتوم باید در دمای بسیار پایین (نزدیک صفر) نگهداری شوند تا از بروز مشکل در این حالت‌های ویژه جلوگیری شود.
جاکوبز می‌گوید: اگر یک کیوبیت با هر چیز دیگری در محیط اطراف ارتباط داشته باشد، حالت کوانتومی آن از شکل طبیعی خود خارج می‌شود. به‌عنوان مثال، اگر در محیط، ذراتی از یک گاز وجود داشته باشد و کیوبیت در دمای پایین نگهداری شود، مولکول‌های گاز به آهستگی حرکت می‌کنند و به همان میزان وارد مدارهای کوانتومی نمی‌شوند.
پژوهشگران تلاش‌های بسیاری را برای حل این مسئله انجام داده‌اند، اما هنوز راه‌حل قطعی برای آن پیدا نکرده‌اند. اکنون، مدارهای فوتونی که کریستال‌های نوری غیرخطی را در خود جای داده‌اند، به‌عنوان تنها مسیر ممکن برای محاسبات کوانتومی مطرح هستند. انگلاند می‌گوید: مدارهای فوتونی کمی شبیه مدارهای الکتریکی هستند، با این تفاوت که آنها به جای سیگنال‌های الکتریکی، نور را مدیریت می‌کنند. به‌عنوان مثال، ما می‌توانیم کانال‌هایی را در یک ماده شفاف ایجاد کنیم که فوتون‌ها به سمت پایین حرکت کنند. یعنی شبیه سیگنال‌های الکتریکی که در طول سیم حرکت می‌کنند. برخلاف سیستم‌های کوانتومی که از یون یا اتم برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کنند، سیستم‌های کوانتومی که از فوتون‌ها استفاده می‌کنند می‌توانند بر محدودیت‌ها و موانع دمای پایین فائق شوند. با این حال، فوتون‌ها هم همچنان باید برای انجام عملیات منطقی با دیگر فوتون‌ها در تعامل باشند. این جاست که نقش بلورهای نوری غیرخطی بارز می‌شود. پژوهشگران می‌توانند حفره‌های موجود در کریستال‌هایی را که به‌طور موقت فوتون‌ها را به دام می‌اندازند، مهندسی کنند. با استفاده از این روش، سیستم کوانتومی می‌تواند 2حالت ممکن را که یک کیوبیت می‌تواند حفظ کند ایجاد کند؛ حفره‌ای با فوتون (فعال) و حفره‌ای بدون فوتون (غیرفعال). این کیوبیت‌ها سپس می‌توانند دروازه‌های منطقی کوانتومی را شکل دهند که چارچوبی برای این حالت‌های عجیب و غریب ایجاد می‌کند. به‌عبارت دیگر، پژوهشگران می‌توانند از وضعیت نامشخصِ بودن یا نبودن فوتون در یک حفره کریستالی برای ارائه یک کیوبیت استفاده کنند. دروازه‌های منطقی روی 2کیوبیت عمل می‌کنند و می‌توانند «درهم‌تنیدگی کوانتومی» را در میان آنها ایجاد کنند. این درهم‌تنیدگی به‌طور خودکار در یک کامپیوتر کوانتومی ایجاد می‌شود و برای سنجش رویکردهای کوانتومی لازم است.

ویژگی برتر کامپیوتر کوانتومی
کامپیوتر کلاسیک یک ورودی را فورا پردازش می‌کند. درحالی‌که کامپیوترهای کوانتومی اطلاعات را در کیوبیت‌ها ذخیره می‌کنند که می‌توانند در یک حالت عجیب، همزمان هم فعال و هم غیرفعال باشند. این ویژگی باعث می‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی به‌طور همزمان پاسخ بسیاری از ورودی‌ها را کشف کند