پیشرفت محاسبات کوانتومی در سال گذشته قابل ملاحظه بوده و چشم انداز روشنی را برای ساخت ابررایانه‌های کوانتومی نمایان کرد. IBM از ساخت اولین چیپ کوانتومی با ۱۰۰۰ بیت کوانتومی با نام کُندُر رونمایی کرده است. این دستاورد که تنها دو سال پس از اعلام دستیابی به چیپ ۱۰۰ کیوبیتی انجام شده است، نشان دهنده سرعت پیشرفت ساخت آنها است. بر طبق گفته‌های مارک سفمن[1]، از اساتید دانشگاه ویسکانسین، در چند سال اخیر سرعت رشد رشته‌ی محاسبات کوانتومی از نظر علمی و عملی، با ۵ شرکتی که در رقابت در دستیابی به سرعت و تعداد بالا برای تجاری‌سازی اتم‌های خنثی هستند، چشمگیر بوده است.
بیت‌های کوانتومی مانند بیت‌های دیجیتال اطلاعات صفر و یک را کدگذاری می‌کنند. اما در دنیای دیجیتال یک بیت، تنها مقادیر صفر یا یک را دارد. این اطلاعات در یک کیوبیت[2] می‌تواند نامشخص در حالتی به نام برهم‌نهی[3] باشد. برای انجام محاسبات از یک روش به نام درهم‌تنیدگی[4] کوانتومی استفاده میشود که حالتهای نهایی ممکن را وابسته به حالت درونی می‌کند. یک الگوریتم کوانتومی خاص به یک توالی از درهم‌تنیدگی بین چیدمانهای مختلف کیوبیت‌هاست. خوانش کیوبیت در انتهای الگوریتم محاسباتی برهم‌نهی را بین حالتهای صفر و یک مشخص از بین می‌برد.
استفاده از بیت‌های کوانتومی پس از گذشت بیست سال از ارائه ایده آنها اکنون به شکل کاربردی تبدیل شده است. بر طبق گفته‌های اندرو استین نظریه پرداز کوانتومی ۱۰ سال پیش استفاده از اتم‌ها برای محاسبات کوانتومی جزو گزینه‌های اول نبود. اما امروزه یکی از روش‌های متدوال است.
یکی از مسائل مهم در استفاده از این روش، مدت‌زمان نگهداری از حالت برهم‌نهی تا از بین رفتن آن به وسیله عواملی مانند نوسانات دمایی است. برای کیوبیت‌های ابررسانای IBM و گوگل این زمان در حدود میلی ثانیه است که تمام محاسبات در این بازه زمانی اتفاق می‌افتد. در نتیجه انتخاب سیستم کوانتومی با توجه به زمان همدوسی آن سیستم انجام میشود. یکی از مزایای کدگذاری اطلاعات به وسیله اتم‌ها، زمان همدوسی[5] بسیار بیشتر آنهاست. علاوه بر آن به این دلیل که اتم‌های مورد استفاده برخلاف ابررساناها همه یکسان هستند، سیستم‌های کنترل مجبور به اعمال تغییرات ناشی از کیوبیت‌های متفاوت نیستند. همینطور نیاز به سردسازی در این اتم‌ها وجود ندارد که طراحی این سیستم‌ها را ساده‌تر می‌کند.
با وجود تمامی این دلایل، استفاده از ابررساناها در حال حاضر به دلیل آشنایی با تکنولوژی ساخت از دلایل انتخاب اولیه آنها در این شرکت‌هاست.
شکل ۱: یک اتم در تله نوری[6] ذره به سمت نقطه با بیشترین شدت در مرکز کشیده میشود. نیروی وارده صفر در این مکان و نیروی سمت مرکز در اطراف آن ذره را در مرکز تله نگه می‌دارد.
در گیت‌های کوانتومی، اتم‌ها در سه حالت ذخیره، درهم‌تنیدگی و خوانش قرار داده می‌شوند. اتم‌ها با نزدیک شدن به یکدیگر تا فاصله 2 میکرومتر توسط لیزر در حالت درهم‌تنیدگی قرار می‌گیرند که برای محاسبات کوانتومی استفاده میشود. بعد از یک سلسه از حالت در هم‌تنیدگی، اتم‌ها به حالت خوانش برای اندازه‌گیری نهایی توسط دوربین می‌روند.
کیوبیت‌های ساخته شده از اتم‌های باردار به عنوان یون برای تله‌اندازی راحت‌تر هستند چون می‌توانند علاوه بر نور با میدان الکتریکی نیز کنترل شوند. با این حال در تعداد بالا، این یونها به دلیل بار یکسان نمی‌توانند خیلی به هم نزدیک شوند. این امر حجم سیستم‌ها را افزایش داده و کنترل آنها را مشکل و پیچیده می‌کند. برای ساخت یک رایانه کوانتومی به حدود یک میلیون کیوبیت نیاز است که چندین مرتبه از آنچه تکنولوژی سیستم یونی اجازه می‌دهد بیشتر است. یونها عموما به وسیله میدان الکترومغناطیس نوسانی با فرکانس RF به تله افتاده و کنترل می‌شوند. حالت کوانتومی آنها توسط نور خوانده و کنترل میشود. برای بیش از ۳۰ یون، این به معنی طراحی تله الکترومغناطیس با طراحی در فضای بسیار کوچک است که طراحی را بسیار پیچیده و مشکل می‌کند. یک گیت کوانتومی از یونها عموما با به صف ساختن آنها ساخته میشود. که به دلیل یک بعدی بودن، افزایش تعداد آنها را مشکل می‌کند. برخلاف انها اتم‌ها می‌توانند به صورت دو بعدی به دام بیفتند. در پروژه پروفسور زفمن یک آرایه اتمی هزارتایی با موفقیت ایجاد و آزمایش شده است. آنها متعقدند که میتوان 10 تا 100 هزار اتم را در یک آرایه در ابعاد سانتیمتر بسازند. همچنین گروه آنها توانسته یک آرایه ۶۱۰۰ اتمی را بدون انجام محاسبات کوانتومی ایجاد کنند. همینطور این اتم‌ها زمان همدوسی برابر ۱۲.۶ ثانیه دارند که رکوردی برای این سیستم کوانتومی محسوب میشود.
شکل۲: آرایه ای از اتم های به تله افتاده در سه مرحله ازمایش ذخیره درهمتنیدپی و خواندن
اتم‌های خنثی برای درهم‌تنیدگی باید تحت تاثیر یکدیگر بوده که تحت اثر نیروی واندروالس ممکن میشود. این نیرو از برهمکنش ابر الکترونی اطراف اتم به اتم نزدیک به آن و پاسخ اتم دومی به اولی تنها وقتی بسیار به یکدیگر نزدیک هستند، ایجاد میشود. استفاده از چنین روشی برای اتم‌های معمولی امکان پذیر نیست. در پروپوزال لوکین و همکارانش در سال ۲۰۰۰ پیشنهاد شد تا برای افزایش فاصله برهمکنش، از اتم‌ها در حالت انرژی برانگیخته ریدبرگ[7] استفاده شود. هرچه انرژی الکترون بیشتر باشد می‌تواند در فاصله بیشتری از هسته اتم قرار گیرد در نتیجه با استفاده از لیزر اتم به حالت ریدبرگ[8] برده میشود. این حالت به اتم‌ها اجازه برهمکنش از فاصله چند میکرومتری را می‌دهد که در تله اندازی نوری قابل انجام است.
جهت اعمال الگوریتم کوانتومی ابتدا اطلاعات توسط لیزر در ترازهای انرژی دو اتم کد گذاری شده و اتم‌ها بین ترازهای الکترونی مختلف سوییچ می‌شوند. تراز ریدبرگ یکی از این ترازها با سطح انرژی بالاست که به پاسخ بسیار بزرگتر اتم‌ها در این حالت منجر میشود. الکترون اتم ممکن است به تراز ریدبرگ پمپ بشود یا نشود، که به اینکه در ابتدا در چه ترازی قرار داده شده است بستگی دارد. پس از این مرحله، اتم‌ها را در حالت درهم‌تنیدگی به وسیله برهم‌کنشهای ریدبرگ ناشی از نزدیک شدن این دو قرار می‌دهند. اتم بسته به اینکه الکترون آن در کدام دو تراز قرار دارد ممکن است به تراز برانگیخته برود. این به آن معناست که تنها یکی از این دو در یک زمان می‌تواند بودن در تراز ریدبرگ را حفظ کند. تراز کوانتومی این دو همبسته بوده و یا درهم‌تنیده است. این بلوک ریدبرگ جهت ایجاد کیوبیت ریدبرگ همه یا هیچ است. بعد از این پروسه مرحله خواندن تراز است. در این مرحله لیزر با تابیدن به اتم مشخص می‌کند که ایا اتم در تراز ریدبرگ قرار دارد یا خیر. اگر که اتم در تراز ریدبرگ باشد نور پراکنده شده ولی در غیر اینصورت پراکندگی وجود ندارد. در سال ۲۰۰۴ برای اولین بار اتم‌ها تا دمای ۱۰۰ میکروکلوین در دمای اتاق سردشده‌اند که بدون نیاز به سردسازی با نیتروژن سیستمی بسیار موثر و جمع جور در مقایسه با کوانتوم داتها ارائه می‌دهد [1].
در سال ۲۰۱۰، سفمن و همکارانش ساخت اولین گیت منطقی را گزارش کردند[9]. سپس، در سال ۲۰۱۶، تیم لوکین و گروه‌های تحقیقاتی در فرانسه و کره جنوبی به طور مستقل چگونگی و روش به تله اندازی اتم‌های خنثی به صورت آرایه را یافتند. استفان دور از موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در گارچینگ آلمان، که از اتم‌های ریدبرگ برای آزمایش‌هایی در پردازش اطلاعات کوانتومی مبتنی بر نور استفاده می‌کند، می‌گوید: این نوآوری زندگی جدیدی را در این زمینه به ارمغان می‌آورد.
گیت‌های کوانتومی یونی اخیرا با تکنولوژی جدید در تله اندازی با میدان مغناطیسی توانسته بر گرمایش ایجادی توسط میدان الکترومغناطیس و مشکل آرایهبندی تله‌ها غلبه کند. به دلیل استفاده از میدان مغناطیسی قوی ترازهای انرژی یونها توسط اثر زیمان به چندین زیر حالت شکافته می‌شوند. این کار کنترل ترازهای کوانتومی را برای دیود لیزرهای معمولی[10] پیچیده می‌کند. علاوه بر این آهنرباهای ابررسانای مورد استفاده حجیم بوده و لیزر باید از بین آنها به یونها بتابد. به تازگی محققان در ETH زوریخ توانسته‌اند با استفاده از یک چیپ میکرونی در بالای آهن‌ربای ابررسانا تله در اصلاح پنینگ[11] طراحی کنند. یک سیستم آینه‌ای نور را از بین اهنرباها به یونها می‌رساند. کل چیدمان داخل محفظه خلا قرار گرفته و به صورت کایروژنیک[12] سرد میشود. جهت تست عملکرد تله زمان همدوسی اندازه‌گیری میشود. این زمان باید بیشتر از زمان مورد نیاز برای یک عملیات کوانتومی باشد. این اندازه‌گیری‌ها اما تنها برای یک یون انجام شده و برای انجام آن در آرایه یونها کار بیشتری نیاز است. قدم بعدی بر طبق گفته جاناتان هوم[13] اضافه کردن یونها در تله‌ها و ساخت گیت چند کیوبیتی به وسیله قرار دادن یونها در تله‌های جداگانه است.
1. The Best Qubits for Quantum Computing Might Just Be Atoms
2. New ion trapping approach could help quantum computers scale up
[1] Safman
[2] qubit
[3] superposition
[4] entanglement
[5] coherence
[6] Optical trap
[7] در این حالت اتم‌ها در حالتی از انرژی کمی پایین‌تر از یون شدن قرار دارند. در نتیجه با استفاده از ابر الکترونی بزرگتر میتوان برهمکنش آنها را افزایش داد.
[8] برگرفته شده از دانشمند فیزیکدان سوئدی ریدبرگ (Rydberg)، او نشان داد الکترون‌ها با طول موج‌های خاصی در اتم گذار انجام می‌دهند.
[9] یک جز اساسی کامپیوترها، که در آن یک یا چند سیگنال ورودی باینری یک خروجی باینری خاص تولید می‌کنند (ساخته شده از دو اتم با استفاده از بلوک Rydberg.)
[10] لیزرهای معمولی به دلیل پهنای طول موجی که دارند برای انتخاب یک تک تراز زیمان مناسب نیستند. در عمل اتم‌ها در چندین تراز در میدان مغناطیسی قوی توسط لیزر پمپ می‌شوند.
[11] Penning
[12] cryogenic
[13] Jonathan Home