کامپیوترهای کوانتومی اتمی

یکی از زمینه‌های تحقیقات علمی که در 25 سال گذشته به سرعت در حال پیشرفت است، حوزه اطلاعات کوانتومی است. امکان استفاده از درهم تنیدگی سیستم‌های کوانتومی برای شبیه‌سازی کوانتومی، محاسبات کوانتومی یا اندازه‌گیری‌های کوانتومی پیشرفته، زمانی دور از دسترس بود اما امروزه به سرعت در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی سراسر جهان قابل انجام است. سیستم‌های کوانتومی مختلفی امروزه وجود دارد که شامل یون‌های به دام افتاده[1]، ابررساناها[2]، اپتیک خطی[3]، نقاط کوانتومی نیمه‌هادی[4]، مراکز خالی نیتروژن در الماس[5] و اتم‌های خنثی[6] است. اتم‌های خنثی یک سیستم بسیار جذاب برای پردازش اطلاعات کوانتومی است. آن‌ها شبیه به یون‌ها بوده و بهترین سیستم توسعه‌یافته تا به امروز هستند، زیرا دارای تراز‌های فوق‌ریز با طول عمر بالا و همدوسی زیاد هستند و می‌توان توسط میدان‌های نوری و سایر میدان‌های الکترومغناطیسی در آن‌ها تغییراتی ایجاد کرد. اساس عملکرد این سیستم‌ها براساس ایجاد درهم تنیدگی با استفاده از اتم‌های ریدبرگ است.

در سال 1999، جکش[7] و همکارانش مفهوم دوقطبی یا محاصره ریدبرگ را برای درهم‌تنیدگی جفت‌های اتمی در فواصل بیش از 1 میکرومتر، که به اندازه کافی بزرگ برای بررسی هر اتم‌ها توسط میدان‌های نوری مرئی است، پیشنهاد کردند. ایده اصلی، این است که برانگیختگی یک اتم به حالت ریدبرگ، انرژی حالات ریدبرگ اتم‌های مجاور را به اندازه‌ی بیشتر از پهنای تراز برانگیخته شیفت می‌دهد. این بدان معناست که تحولات کوانتومی یک اتم را می‌توان با تراز کوانتومی اتم دیگری که ممکن است چند میکرون از آن اتم فاصله داشته باشد، کنترل کرد. جکش و همکارانش استدلال کردند که این فرآیند می‌تواند به طور همدوس و با فیدلیتی بالا انجام شود و در نتیجه می‌تواند یک ابزار عملی برای ایجاد درهم تنیدگی بین اتم‌های خنثی باشد که این درهم تنیدگی اساس عمکرد گیت کوانتومی است.

شکل 1: A) محاصره ریدبرگی بین اتم‌های هدف و کنترل، B) هندسه‌ آزمایش‌گاهی دو ناحیه‌ی تله‌گذاری شده برای اتم و C) تصویر فلئورسانس ثبت شده از چگالی اتم.

اتم‌های ریدبرگ برهمکنش‌های اتمی قوی و قابل کنترلی را ارائه می‌کنند که می‌توان با انتخاب حالت‌هایی با عدد کوانتومی اصلی یا تکانه زاویه‌ای مداری، آن را تنظیم کرد. بعلاوه اتم‌های ریدبرگ طول عمر نسبتا بالایی دارند و تعداد زیاد سطوح انرژی موجود و جداسازی آن‌ها امکان جفت شدن به میدانهای الکترومغناطیسی با فرکانس بیش از 6 مرتبه را فراهم میکند. این ویژگی‌ها اتم‌های ریدبرگ را برای توسعه فناوری‌های کوانتومی جدید، بسیار مطلوب می‌کند.

اتم‌های خنثی، که گاهی اوقات به آنها «اتم‌های سرد» نیز گفته می‌شود، از مجموعه‌ای از اتم‌های منفرد ساخته می‌شوند که در خلاء با استفاده از یک لیزر به عنوان انبرک نوری برای محدود کردن حرکت تک تک اتم‌ها و در نتیجه سرد کردن آن‌ها استفاده می‌شود. این اتم‌ها را می‌توان با شلیک پالس‌های لیزری خاصی که شعاع بیرونی الکترون‌ها را افزایش می‌دهد، در حالت بسیار برانگیخته قرار داد (حالت ریدبرگ)، که می‌تواند برای درهم‌تنیدگی آن‌ها با یکدیگر استفاده شود.

هر یک از گروه‌هایی که روی اتم‌های خنثی متمرکز شده‌اند، از عناصر ستون اول جدول تناوبی اتمی (فلزات قلیایی مانند روبیدیم یا سزیم) یا ستون دوم (فلزات قلیایی خاکی مانند استرانسیوم و اوتربیوم) استفاده می‌کنند. در این عناصر تعداد الکترون و پروتون مساوی بوده و بنابراین بارهای الکتریکی متعادل شده و به این عناصر اتم خنثی معرفی گفته می‌شود. فلزات قلیایی دارای یک الکترون منفرد در مدار بیرونی هستند در حالی که فلزات قلیایی خاکی دارای دو الکترون در مدار بیرونی هستند (برخی معتقدند پیکربندی الکترون دو ظرفیتی، که یک پوسته بسته است، پایداری و محافظت بیشتری در برابر نویز خارجی ایجاد می‌کند). تمرکز روی این الکترون‌های بیرونی است که اثرات مکانیکی کوانتومی ایجاد می‌کند که الگوریتم‌ها یا فعالیت آنالوگ مورد نظر را هدایت می‌کند.

در یک پردازنده کوانتومی اتم خنثی، اتم‌ها ابتدا به شکل یک ابر گازی گرم می‌شوند و سپس در خلاء بالا از طریق آرایه‌هایی از لیزرهای متمرکز با طول موج‌های خاص، که اغلب به عنوان «انبرک نوری» نامیده می‌شوند، معلق می‌شوند. هر عنصری به طول موج‌های بسیار خاصی از نور واکنش نشان می‌دهد، بنابراین می‌توان با لیزرهای تنظیم شده برای آن طول موج‌های خاص، آن را دستکاری کرد. این انبرک‌های نوری همچنین می‌توانند برای پیکربندی اتم‌ها در آرایه‌های هندسی خاص استفاده شوند. برای محاسبات دیجیتالی مبتنی بر گیت، پیاده سازی های تک گیت و چند گیت می‌توانند از طریق پالس‌های نوری متفاوت برنامه ریزی شوند. اما برای عملیات آنالوگ، انبرک‌های نوری، اتم‌ها را به یک پیکربندی خاص حرکت می‌دهند و با پالس‌های لیزری یا مایکروویو دیگری اتم‌ها را به سمت هامیلتونین‌های موردنظر هدایت می‌کنند. در هر دو مورد، نتایج نهایی به صورت نوری خوانده می‌شود.

شکل زیر روند کلی یک پردازشگر اتمی را نشان می‌دهد که بیانگر کلی از رویکرد اتم سرد است. این شکل شامل دو مجموعه لیزر و کنترل‌کننده‌های مرتبط و AOD (انحراف‌کننده‌های آکوستو-اپتیک)، یک محفظه خلاء و یک دوربین حساس به فوتون برای خواندن نتایج است.

شکل 2: روند کلی یک پردازشگر اتمی.

از ویژگی‌های مهم کیوبیت‌های اتم‌های خنثی، نسبت به سیستم‌های موجود پردازنده‌های کوانتومی، زمان همدوسی بالا، اتصال قوی، مقیاس پذیری، عدم نیاز به کرایوژن، کاهش پیچیدگی سیم کشی و به‌کار بردن آن در مد آنالوگ یا دیجیتال (یا هر دو) است، که با وجود پیچیدگی‌های زیاد این سیستم، گروه‌های زیادی را به سمت مطالعه و راه‌اندازی این سیستم سوق داده است. در زیر هر یک از این ویژگی‌ها به اختصار توضیح داده خواهد شد.

زمان همدوسی بالا: رایانه‌های پیشروی کوانتومی ابررسانا و فوتونیکی به زمان‌های همدوسی از مرتبه‌ی میلی‌ثانیه (میلیونیم ثانیه) دست یافته‌اند که زمان زیادی برای اجرای الگوریتم‌ها فراهم نمی‌کند (اگرچه سرعت گیت بسیار بالایی نیز دارند).  شرکت‌هایی که از اتم خنثی برای ساخت کامپیوتر کوانتومی استفاده می‌کنند عموماً از همدوسی اندازه‌گیری شده در مرتبه‌ی ثانیه بهره‌ی می‌برند. شرکت اتم[8] مقاله‌ای را در نیچر کامیونیکیشن [9]در ماه می 2022 منتشر کرد که در آن زمان‌های انسجام بیش از 40 ثانیه را گزارش کردند.

اتصال قوی: توپوگرافی ساختار اتم خنثی کاملاً منعطف است و مدلالیتی‌های آن معمولاً منجر به اتصال قوی بین کیوبیت‌ها  شده و اغلب به اتصال همه -به- همه[10] منجر می‌شود. در واقع، اتم‌های خنثی می‌توانند گیت‌های چند کیوبیتی (شامل بیش از ۲ کیوبیت مانند CCNOT یا Toffoli Gate) را پیاده‌سازی کنند و حتی می‌توانند کیوبیت‌های ۳ سطحی یا (کوتریت[11]) را پیاده‌سازی کنند.

مقیاس پذیری[12]: از آنجایی که همه اتم‌های یک ایزوتوپ عنصر معین ذاتاً یکسان هستند، همه کیوبیت‌های مبتنی بر چنین عناصری با یکدیگر یکسان هستند. علاوه بر این، از آنجایی که هیچ بار یونی در عناصر مورد استفاده وجود ندارد، اتم‌ها را می‌توان در آرایه‌های محکمی که اغلب تنها چند میکرون از هم فاصله دارند، بسته بندی کرد. همچنین، به جای لیزر جدا برای هر کیوبیت، از آنجایی که اتم‌ها توسط طول موج‌های یکسان دستکاری می‌شوند، یک لیزر با طول موج خاص را می‌توان به پرتوهایی تقسیم کرد تا چندین اتم را کنترل کند.

عدم نیاز به کرایوژن: روش‌هایی که به چیلرهای برودتی نیاز دارند، با مخازن اضافه‌شده قابل توجهی همراه می‌شوند و معمولاً در طی عملیات سردسازی لازم هست تا در مراحل مختلف چرخه‌های طولانی سردسازی و گرم‌سازی قرار گیرند.

کاهش پیچیدگی سیم کشی: تمام عملکردهای کنترل اتم‌های خنثی از طریق انتشار نور در فضای آزاد انجام می‌شود. این مساله برعکس کیوبیت‌های ابررسانا است که برای هر کیوبیت نیاز به کابل‌های الکتریکی متعدد دارند، است.

به‌کار بردن آن در مد آنالوگ یا دیجیتال (یا هر دو): عملیات دیجیتال یا مبتنی بر گیت برای توسعه کامل الگوریتم مورد نیاز است، اما برخی از مزایای کوانتومی اولیه ممکن است با استفاده از کیوبیت‌ها به صورت هندسی یا در مد آنالوگ به دست آید. این یک تمایز مهم است.

در حالی که این لیست دارای ویژگی‌های چشمگیری در کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر اتم خنثی ارائه می‌دهد اما این موضوع در چشم انداز محاسبات کوانتومی نسبتاً جدید بوده و هنوز نتایج مهم دنیای واقعی را به نمایش نگذاشته‌اند. اما رشد پردازنده‌های کوانتومی با این وجود شرکت‌هایی مانند شرکت پاسکال، محاسبات اتمی، کوئرا[13] و اینفلکشن [14] پیشروهای در این عرصه بوده‌اند و به نتایج قابل توجهی دست یافته‌اند. در جدول زیر لیستی از فعالیت‌های انجام شده توسط این شرکت‌ها ارائه شده است.

جدول 1: شرکت‌های پیشرو در عرصه اتم.

مراجع:

Quantum Computing with Neutral Atoms – The Quantum Leap (quantumtech.blog)

 Thad G.Walker and Mark Saffman. Entanglement of Two Atoms Using Rydberg Blockade. Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, 61 (2012).

 Loïc Henriet, Lucas Beguin, Adrien Signoles, Thierry Lahaye, Antoine Browaeys, Georges-Olivier Reymond, and Christophe Jurczak. Quantum computing with neu

[1] trapped ions

[2] superconductors

[3] linear optics

[4] semiconductor quantum dots

[5] nitrogen vacancy centers in diamond

[6] neutral atoms

[7] Jaksch

[8] Atom Computing

[9] Nature Communication

[10] all-to-all connectivity

[11] Qutrits

[12] Scalability

[13] QuEra

[14] Infleqtion