در بخش اول، مقدمه‌ای در خصوص فابلیت‌های رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی ارائه شده است. در این بخش، در خصوص پارادایم‌هایی صحبت می‌کنیم که در مسیر رشد و پیشرفته محاسبات کوانتومی فوتونیکی دچار تغییرات اساسی خواهند شد.
انقلاب در پارادایم‌های محاسبات کوانتومی قدرتمند توسط کیوبیت‌های فوتونی
رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات با سرعت و کارایی خارق‌العاده استفاده می‌کنند. به دلیل ویژگی‌ها و قابلیت‌های منحصربه‌فرد رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی، این پتانسیل را دارند که انقلابی را در پارادایم‌های محاسباتی ایجاد کنند. در اینجا برخی از پارادایم‌های محاسباتی که می‌توانند تحت تأثیر رایانه‌های کوانتومی فوتونیک قرار گیرند، آورده شده است:
محاسبات کوانتومی: رایانه‌های کوانتومی فوتونیک نوع خاصی از رایانه‌های کوانتومی هستند که از فوتون‌ها به عنوان کیوبیت، واحدهای اساسی اطلاعات در محاسبات کوانتومی، استفاده می‌کنند. برخلاف رایانه‌های کلاسیک که بر بیت‌ها تکیه می‌کنند، که اطلاعات را در 0 یا 1 رمزگذاری می‌کنند، واحدهای بنیادی اطلاعات کوانتومی، کیوبیت‌ها، به لطف برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی می‌توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند. این توانایی منحصر به فرد امکان پردازش موازی را فراهم می‌کند.
برهم نهی و درهم تنیدگی: رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی می‌توانند از مزیت برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی بهره ببرند که دو ویژگی کلیدی سیستم‌های کوانتومی هستند. برهم نهی به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد تا در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند و قدرت محاسباتی را به شدت افزایش دهد. درهم تنیدگی، همبستگی کیوبیت‌ها را ممکن می‌سازد و امکان محاسبه سریع‌تر و کارآمدتر را فراهم می‌کند.
شکل 3) نمایی از تولید حالت خوشه‌ای از فوتون‌ها که در تحول زمانی هستند. عکس از Mikkel V. Larsen.
محاسبات موازی: رایانه‌های کوانتومی فوتونیک پتانسیل موازی‌سازی عظیمی را دارند. این بدان معنی است که آنها می‌توانند چندین محاسبه را به طور همزمان انجام دهند و به طور قابل توجهی سرعت انواع خاصی از محاسبات را در مقایسه با رایانه‌های کلاسیک افزایش می‌دهند. این موازی‌سازی با دستکاری و اندازه‌گیری وضعیت بسیاری از کیوبیت‌ها به صورت موازی به دست می‌آید. با استفاده از ویژگی برهم‌نهی حالت‌ها، در یک لحظه‌ی خاص می‌توان محاسبات را بر روی تمامی حالت‌های ممکن اعمال کند.
شکل۱) نمایی از محاسبات موازی
الگوریتم‌های کوانتومی: رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی بستری را برای توسعه و اجرای الگوریتم‌های کوانتومی فراهم می‌کنند. این الگوریتم‌ها به طور خاص برای مهار قدرت محاسبات کوانتومی و حل مسائلی طراحی شده‌اند که از نظر محاسباتی برای رایانه‌های کلاسیک غیرممکن هستند. به عنوان مثال می توان به برخی شبیه‌سازی‌های کوانتومی، الگوریتم Shor برای فاکتورسازی اعداد بزرگ، الگوریتم Grover برای جستجو در پایگاه‌های داده مرتب نشده، تبدیل فوریه‌ی کوانتومی، گام‌زنی کوانتومی، تخمین فاز کوانتومی اشاره کرد.
امنیت داده‌های پیشرفته: رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی پتانسیل افزایش امنیت داده‌ها را از طریق رمزنگاری کوانتومی ارائه می دهند. پروتکل‌های توزیع کلید کوانتومی (QKD) که از اصول مکانیک کوانتومی استفاده می‌کنند، می‌توانند رمزگذاری ناگسستنی بین طرفین فراهم کنند و کانال‌های ارتباطی ایمن را تضمین کنند.
بهینه‌سازی و شبیه‌سازی: رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی برای حل مسائل بهینه‌سازی و شبیه‌سازی کارآمدتر از رایانه‌های کلاسیک به نظر می‌رسند. آنها می‌توانند وظایف پیچیده بهینه‌سازی مانند بهینه‌سازی پورتفولیو، مدیریت زنجیره تامین یا برنامه‌ریزی مسیر را انجام دهند. علاوه بر این، شبیه‌سازی‌های کوانتومی را می‌توان برای مدل‌سازی و درک پدیده‌های فیزیکی که شبیه‌سازی آنها در رایانه‌های کلاسیک چالش برانگیز است، استفاده کرد.
یادگیری ماشینی و هوش مصنوعی: رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی پتانسیل ارتقای الگوریتم‌های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی (AI) را دارند. روش یادگیری ماشین کوانتومی از قابلیت‌های محاسبات کوانتومی برای بهبود وظایف آموزش، طبقه‌بندی و تشخیص الگو استفاده می‌کند. این می‌تواند به پیشرفت‌هایی در زمینه هایی مانند کشف دارو، پردازش تصویر و تجزیه و تحلیل داده‌ها منجر شود.
مقیاس پذیری چشمگیر: یکی از ویژگی های قابل توجه رایانه‌های کوانتومی فوتونیک مقیاس پذیری ذاتی آنهاست. فوتون‌ها، به عنوان حامل اطلاعات کوانتومی، ثبات و انسجام استثنایی از خود نشان می‌دهند و آنها را به کاندیدای ایده‌آل برای ساختن سیستم‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ تبدیل می‌کند. ماهیت کیوبیت‌های فوتونیک امکان رمزگذاری، دستکاری و انتقال کارآمد اطلاعات را در فواصل وسیع بدون از دست دادن یا تخریب قابل توجه می‌دهد. این مزیت فرصت‌های هیجان انگیزی را برای شبکه‌های کوانتومی توزیع شده و پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی امن باز می کند. یک رویکرد با پتانسیل بالا استفاده از فناوری فوتونیک یکپارچه است. فوتونیک یکپارچه فناوری است که امکان ادغام اجزای نوری روی یک تراشه را فراهم می‌کند. این می‌تواند به کاهش اندازه و پیچیدگی کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک کمک کند و آنها را مقیاس‌پذیرتر کند.
تصحیح خطای پیشرفته: تصحیح خطا یکی از جنبه‌های مهم محاسبات کوانتومی است، زیرا سیستم‌های کوانتومی مستعد منابع مختلف نویز و ناپیوستگی هستند. رایانه‌های کوانتومی فوتونیک از همدوسی ذاتی فوتون‌ها بهره می‌برند که در مقایسه با سایر سیستم‌های کوانتومی کمتر در معرض اختلالات محیطی هستند. علاوه بر این، استفاده از مدارهای فوتونیک یکپارچه، اجرای طرح‌های تصحیح خطا را تسهیل می‌کند و قابلیت اطمینان و پایداری محاسبات را افزایش می‌دهد. این پیشرفت‌ها ما را به درک رایانه‌های کوانتومی مقاوم به خطا که قادر به اجرای دقیق الگوریتم‌های پیچیده هستند، نزدیک‌تر می‌کند.
تعدادی از طرح های تصحیح خطای مختلف وجود دارد که می توانند برای کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک استفاده شوند. یکی از رویکردهای رایج استفاده از کدهای تصحیح خطای کوانتومی (QECC) است. QECCها برای محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر خطاها با رمزگذاری آن در چند کیوبیت طراحی شده‌اند. اگر در یکی از کیوبیت‌ها خطایی رخ دهد، می‌توان از کیوبیت‌های دیگر برای تصحیح خطا استفاده کرد. روش دیگر برای تصحیح خطا برای کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک استفاده از بازخورد فعال است. بازخورد فعال شامل نظارت بر کیوبیت‌ها در کامپیوتر کوانتومی و استفاده از این اطلاعات برای تصحیح خطاها است. این را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های مختلف، مانند همیوغ فاز نوری و کدهای تصحیح خطای کوانتومی انجام داد.
تصحیح خطا یک مشکل پیچیده و چالش برانگیز است، اما برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک در مقیاس بزرگ ضروری است. تحقیقات زیادی در این زمینه در حال انجام است و طرح های تصحیح خطای جدید همیشه در حال توسعه هستند. همانطور که این طرح ها کارآمدتر و موثرتر می شوند، ساخت کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک بزرگتر و قدرتمندتر ممکن می شود.
تطبیق پذیری و عملیات با وفاداری بالا: وفاداری در کامپیوتر کوانتومی فوتونیک وفاداری معیاری است که نشان می‌دهد یک کامپیوتر کوانتومی چگونه یک کار خاص را به خوبی انجام می‌دهد. این به عنوان احتمال اینکه رایانه با توجه به یک ورودی خاص، خروجی صحیح را تولید کند تعریف می‌شود. وفاداری مهم است زیرا تعیین می‌کند که نتایج محاسبات کوانتومی تا چه حد دقیق باشد. تعدادی از عوامل مختلف وجود دارد که می‌تواند بر وفاداری یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک تأثیر بگذارد. از جمله این موارد می توان به کیفیت فوتون ها، دقت اجزای نوری و نویز موجود در محیط اشاره کرد.
یکی از مهم‌ترین عوامل موثر بر وفاداری، کیفیت فوتون‌ها است. فوتون‌ها بسیار شکننده هستند و می‌توانند به راحتی از بین بروند یا خراب شوند. به همین دلیل است که استفاده از فوتون‌های با کیفیت بالا در یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک مهم است.
یکی دیگر از عوامل موثر بر وفاداری، دقت اجزای نوری است. اجزای نوری در یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک باید بسیار دقیق باشند تا اطمینان حاصل شود که فوتون‌ها از بین نمی‌روند یا خراب نمی‌شوند. در نهایت، نویز موجود در محیط می تواند بر وفاداری یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک نیز تأثیر بگذارد. نویز می‌تواند از منابع مختلفی مانند نویز حرارتی، تداخل الکترومغناطیسی و ارتعاشات ناشی شود.
وفاداری یک معیار مهم برای کامپیوترهای کوانتومی فوتونیک است. برای اطمینان از دقیق بودن نتایج محاسبات کوانتومی، داشتن وفاداری بالا مهم است. تعدادی از عوامل مختلف وجود دارد که می‌تواند بر وفاداری یک کامپیوتر کوانتومی فوتونیک تأثیر بگذارد، و طراحی دقیق رایانه برای به حداکثر رساندن وفاداری بسیار مهم است.
