خواندن اطلاعات کوانتومی بدون تخریب؛ کشف جدید دانشمندان!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،دانشمندان در یک مطالعه نظری روش جدیدی برای خواندن اطلاعات ذخیره‌شده در نوعی کیوبیت موسوم به کیوبیت آندریف (Andreev qubit) پیشنهاد کرده‌اند که بر اساس آن می‌توان حالت کوانتومی این واحد پردازشی را از طریق جریان الکتریکی تولیدشده توسط خود آن شناسایی کرد؛ رویکردی که در صورت تحقق آزمایشگاهی می‌تواند امکان پایش وضعیت کیوبیت‌ها را با حداقل اختلال و بدون استفاده از کیوبیت‌های کمکی فراهم کند.

کیوبیت واحد پایه پردازش اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی است که برخلاف بیت‌های معمولی رایانه‌های کلاسیک علاوه بر حالت‌های صفر و یک می‌تواند در وضعیت برهم‌نهی کوانتومی قرار بگیرد، به این معنا که ترکیبی از هر دو حالت را به‌طور هم‌زمان داشته باشد. همین ویژگی یکی از ظرفیت‌های اصلی محاسبات کوانتومی به شمار می‌رود، اما کنترل و اندازه‌گیری دقیق این حالت‌ها همچنان از چالش‌های مهم توسعه این فناوری است.

یکی از مشکلات اساسی در این زمینه ماهیت اندازه‌گیری کوانتومی است. در مکانیک کوانتومی اندازه‌گیری مستقیم یک سامانه می‌تواند حالت آن را تغییر دهد و برهم‌نهی موجود را از بین ببرد. در نتیجه اطلاعاتی که در ترکیب حالت‌های کوانتومی ذخیره شده است ممکن است هنگام خواندن آن دستخوش تغییر شود.

در روش پیشنهادی پژوهشگران به‌جای انتقال اطلاعات کیوبیت به یک سامانه کمکی و اندازه‌گیری آن از سیگنال الکتریکی تولیدشده در خود کیوبیت برای بازسازی اطلاعات استفاده می‌شود. این سیگنال در قالب جریان ابررسانا ایجاد می‌شود و تغییرات آن می‌تواند اطلاعات مربوط به حالت اولیه کیوبیت را آشکار کند.

کیوبیت آندریف چگونه اطلاعات کوانتومی را ذخیره می‌کند؟

کیوبیت‌های آندریف نوعی سامانه کوانتومی هستند که اطلاعات را در حالت‌هایی شکل‌گرفته میان مواد ابررسانا ذخیره می‌کنند. ابررسانا‌ها موادی هستند که در شرایط مشخص می‌توانند جریان الکتریکی را بدون مقاومت عبور دهند.

نام این کیوبیت‌ها از الکساندر آندریف، فیزیکدان اتحاد جماهیر شوروی گرفته شده است که در سال ۱۹۶۴ فرایند فیزیکی مرتبط با رفتار ذرات در مرز میان مواد عادی و ابررسانا را توصیف کرد. این فرایند اساس شکل‌گیری حالت‌های کوانتومی مورد استفاده در کیوبیت‌های آندریف را فراهم می‌کند.

در سامانه بررسی‌شده در این پژوهش یک ناحیه موسوم به نقطه کوانتومی (Quantum Dot) وجود دارد. نقطه کوانتومی ساختاری در مقیاس نانو است که در آن الکترون‌ها در فضای بسیار کوچکی محصور می‌شوند.

این ساختار درون یک سیم نانویی از جنس آرسنید ایندیوم (InAs) شکل گرفته که از هر دو طرف به مواد ابررسانا متصل است. حالت‌های کوانتومی تشکیل‌دهنده کیوبیت آندریف نیز در همین محیط ایجاد می‌شوند.

خوزه کارلوس اگس، استاد تمام موسسه فیزیک سائو کارلوس در دانشگاه سائوپائولو برزیل در توضیح ساختار این سامانه می‌گوید: در سامانه مورد بررسی ناحیه مورد نظر یک نقطه کوانتومی است یعنی ساختاری در مقیاس نانو که الکترون‌ها در آن از نظر مکانی محصور شده‌اند. این ساختار در یک سیم نانویی آرسنید ایندیوم قرار دارد که از دو طرف به مواد ابررسانا متصل است و حالت‌های مشخص‌کننده کیوبیت آندریف در همین محیط شکل می‌گیرند.

چرا اندازه‌گیری مستقیم کیوبیت می‌تواند اطلاعات آن را از بین ببرد؟

در مکانیک کوانتومی متعارف اندازه‌گیری فرافکنانه (Projective Measurement) باعث می‌شود سامانه به یکی از حالت‌های متناظر با کمیت اندازه‌گیری‌شده منتقل شود.

به بیان ساده اگر یک کیوبیت پیش از اندازه‌گیری در ترکیبی از حالت‌های صفر و یک قرار داشته باشد اندازه‌گیری مستقیم آن می‌تواند این برهم‌نهی را از بین ببرد و در نتیجه اطلاعات مربوط به ترکیب اولیه حالت‌ها از دست برود.

اگس در این باره توضیح می‌دهد که در بسیاری از روش‌های موجود برای کاهش این اختلال از یک سامانه کوانتومی کمکی به نام اَنسیلا (Ancilla) استفاده می‌شود.

در این روش‌ها ابتدا کیوبیت کمکی آماده‌سازی می‌شود و سپس با کیوبیت اصلی برهم‌کنش پیدا می‌کند تا اطلاعات مورد نظر از کیوبیت اصلی به آن منتقل شود. در ادامه پژوهشگران با اندازه‌گیری کیوبیت کمکی تلاش می‌کنند اطلاعات کیوبیت اصلی را به دست آورند، بدون آنکه مستقیما آن را اندازه‌گیری کنند.

با وجود مزایای این رویکرد استفاده از کیوبیت‌های کمکی به مراحل عملیاتی بیشتر، زمان پردازش و تجهیزات اضافی نیاز دارد، اما در راهبرد جدید، قرار نیست اطلاعات به یک کیوبیت دیگر منتقل شود. به گفته اگس هدف این است که اطلاعات از طریق سیگنالی استخراج شود که خود کیوبیت مورد مطالعه تولید می‌کند.

خواندن اطلاعات کوانتومی از طریق جریان الکتریکی خود کیوبیت

در طرح پیشنهادی کیوبیت درون یک مدار ابررسانای بسته قرار می‌گیرد که جریان ابررسانا یا ابر‌جریان (Supercurrent) در آن برقرار است. این جریان برخلاف جریان الکتریکی معمولی بدون مقاومت الکتریکی عبور می‌کند.

بر اساس محاسبات پژوهشگران برهم‌کنش و تداخل میان حالت‌های موجود در برهم‌نهی کوانتومی کیوبیت باعث می‌شود بخشی از این جریان در طول زمان نوسان کند.

همین ویژگی اساس روش پیشنهادی برای خواندن اطلاعات کیوبیت است، زیرا تغییرات جریان می‌تواند اطلاعات مربوط به وضعیت کوانتومی آن را در اختیار پژوهشگران قرار دهد.

اگس توضیح می‌دهد که در شرایط معمول اعمال ولتاژ می‌تواند باعث ایجاد نوسان در چنین جریانی شود، پدیده‌ای که با عنوان اثر جوزفسون متناوب (AC Josephson Effect) شناخته می‌شود.

با این حال در سامانه پیشنهادی پژوهشگران، جریان ابررسانا بدون اعمال ولتاژ نیز می‌تواند تغییرات زمانی مشابه جریان متناوب داشته باشد. به گفته این محقق منشا این نوسان تکامل خود حالت کوانتومی کیوبیت است و نه اعمال یک ولتاژ خارجی. در واقع تغییرات جریان به‌عنوان نوعی سیگنال قابل اندازه‌گیری عمل می‌کند که اطلاعات مربوط به حالت کیوبیت را در خود دارد.

نقش حسگر SQUID در شناسایی حالت کیوبیت

برای اندازه‌گیری این سیگنال پژوهشگران استفاده از ابزاری به نام دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) را پیشنهاد کرده‌اند.

SQUID یکی از حساس‌ترین ابزار‌های شناخته‌شده برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی بسیار ضعیف است و می‌تواند تغییرات کوچک میدان مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی را شناسایی کند.

در طرح مورد بررسی یک حسگر SQUID در نزدیکی مدار ابررسانای حاوی کیوبیت قرار می‌گیرد. جریان الکتریکی در مدار میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و حسگر با شناسایی این میدان می‌تواند تغییرات جریان را تشخیص دهد.

اِگِس برای توضیح نحوه عملکرد این سامانه کیوبیت و حسگر را به دو قطب‌نما تشبیه می‌کند. به گفته او جریان موجود در مدار کیوبیت میدان مغناطیسی تولید می‌کند و SQUID این میدان را حس می‌کند.

از آنجا که اتصال و برهم‌کنش میان حسگر و کیوبیت بسیار ضعیف طراحی شده است انتظار می‌رود تاثیر ابزار اندازه‌گیری بر وضعیت کوانتومی کیوبیت بسیار محدود باشد.

این ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا یکی از اهداف اصلی پژوهش دستیابی به روشی برای خواندن اطلاعات کوانتومی است که در عین استخراج اطلاعات کمترین تغییر را در سامانه اصلی ایجاد کند.

چگونه نوسانات جریان، حالت اولیه کیوبیت را آشکار می‌کند؟

برای بازسازی دقیق وضعیت یک کیوبیت صرفا دانستن سهم حالت‌های صفر و یک کافی نیست بلکه باید رابطه فازی میان این دو حالت نیز مشخص شود.

در یک برهم‌نهی کوانتومی نسبت حضور هر یک از دو حالت و همچنین فاز نسبی میان آنها تعیین‌کننده وضعیت کامل سامانه است. فاز نسبی در واقع نشان می‌دهد دو مؤلفه کوانتومی چگونه نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. بر اساس نتایج مطالعه هر دو نوع اطلاعات در جریان ابررسانای تولیدشده توسط کیوبیت رمزگذاری می‌شوند.

پژوهشگران نشان داده‌اند که این جریان از دو بخش اصلی یک مؤلفه ثابت و یک مؤلفه نوسانی تشکیل شده است. مقدار مؤلفه ثابت جریان و دامنه نوسانات آن می‌تواند نسبت حضور حالت‌های صفر و یک را در برهم‌نهی مشخص کند. در مقابل زمان آغاز نوسان‌ها اطلاعات مربوط به رابطه فازی میان این دو حالت را در اختیار پژوهشگران قرار می‌دهد.

اگس در توضیح این سازوکار می‌گوید: اطلاعات مورد نظر در خود ابرجریان رمزگذاری شده است. این جریان دارای یک مؤلفه ثابت و یک مؤلفه متغیر است. مقدار بخش ثابت و دامنه نوسان نسبت هر یک از حالت‌های صفر و یک را در برهم‌نهی نشان می‌دهد و زمان آغاز نوسان نیز رابطه فازی میان آنها را آشکار می‌کند؛ بنابراین با اندازه‌گیری تغییرات جریان در طول زمان می‌توان وضعیت اولیه کیوبیت را بازسازی کرد.

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم این روش آن است که پژوهشگران می‌توانند با انجام اندازه‌گیری‌های متوالی رفتار کیوبیت را در طول زمان دنبال کنند بدون آنکه پس از هر بار اندازه‌گیری مجبور باشند آن را به حالت اولیه بازگردانند. این قابلیت می‌تواند در پایش مستمر وضعیت کیوبیت‌ها و بررسی تکامل حالت‌های کوانتومی کاربرد داشته باشد.

پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی شبیه‌سازی‌هایی انجام دادند که در آنها عواملی مانند نویز اندازه‌گیری و اثر بازخوردی سیم‌پیچ کوچک آشکارساز نیز در نظر گرفته شده بود.

نتایج این شبیه‌سازی‌ها نشان داد که تأثیر حسگر بر کیوبیت می‌تواند به میزان ناچیزی کاهش یابد و دقت خواندن اطلاعات، بسته به تعداد اندازه‌گیری‌ها، به مقادیر مختلفی برسد.

بر اساس نتایج گزارش‌شده دقت اندازه‌گیری در سه حالت بررسی‌شده به ترتیب ۹۹.۵۲ درصد، ۹۹.۸۱ درصد و ۹۹.۸۵ درصد بود. این مقادیر در محدوده آستانه‌های استاندارد مورد استفاده در طرح‌های تصحیح خطای کوانتومی قرار می‌گیرند؛ طرح‌هایی که برای شناسایی و اصلاح خطا‌های ایجادشده در محاسبات کوانتومی به کار می‌روند. با این حال پژوهشگران تأکید می‌کنند که روش پیشنهادی مشکل بنیادی اندازه‌گیری در مکانیک کوانتومی را به‌طور کامل برطرف نمی‌کند بلکه می‌تواند به حدی نزدیک شود که خواندن اطلاعات با کمترین تخریب ممکن انجام گیرد.

اگس در این باره می‌گوید: روش ما مسئله بنیادی اندازه‌گیری کوانتومی را حذف نمی‌کند، اما می‌تواند به محدودیت اندازه‌گیری غیرمخرب نزدیک شود و هم‌زمان نیاز به استفاده از کیوبیت‌های کمکی یا انسیلا‌ها را که در برخی پروتکل‌های دیگر اندازه‌گیری غیرمخرب به کار می‌روند، از میان بردارد.

فاصله طرح نظری تا آزمایش عملی

این پژوهش به سرپرستی خوزه کارلوس اگس و یوگوی یائو از دانشکده فیزیک مؤسسه فناوری پکن در چین انجام شده و نتایج آن در نشریه علمی Physical Review B Letters منتشر شده است.

به گفته پژوهشگران بخش مهمی از فناوری مورد نیاز برای اجرای این طرح از پیش وجود دارد. برای مثال شناسایی جریان‌های بسیار ضعیف و میدان‌های مغناطیسی کوچک با استفاده از حسگر‌های SQUID فناوری شناخته‌شده‌ای است و برای تحقق ایده پیشنهادی لزوما به پیشرفت‌های جدید در زمینه مواد یا ساخت تجهیزات نیاز نیست.

اگس تاکید می‌کند که پارامتر‌های مورد استفاده در محاسبات واقع‌بینانه و برگرفته از سامانه‌های موجود بوده‌اند و از این نظر اجرای طرح از نظر فنی امکان‌پذیر به نظر می‌رسد.

با این حال آنچه هنوز ساخته و آزمایش نشده هندسه و آرایش فیزیکی مشخصی است که پژوهشگران برای اتصال کیوبیت مدار ابررسانا و حسگر SQUID پیشنهاد کرده‌اند.

نتایج فعلی در مرحله محاسبات نظری و شبیه‌سازی قرار دارند و برای تایید عملکرد واقعی این روش باید نمونه آزمایشگاهی آن طراحی و ساخته شود. در صورت تایید نتایج در آزمایش‌های عملی این رویکرد می‌تواند مسیر تازه‌ای برای اندازه‌گیری و پایش کیوبیت‌ها فراهم کند؛ مسیری که با تکیه بر سیگنال تولیدشده توسط خود سامانه کوانتومی نیاز به برخی اجزای کمکی را کاهش می‌دهد و امکان بررسی وضعیت کیوبیت را با اختلال کمتر فراهم می‌سازد.