راه اندازی لیزرها و آینه ها، مسائلی را که حتی برای بزرگترین سیستمهای کامپیوتری سنتی و متداول، پیچیده است، به طور موثری حل کرد.

برای نخستین بار، یک کامپیوتر کوانتومی متشکل از فوتونها- ذرات نور- ساخته شد که حتی از سریعترین سوپرکامپیوترهای کلاسیک عملکرد بهتری دارد.

گروهی از فیزیکدانان به سرپرستی Chao-Yang Lu و Jian-Wei Pan از دانشگاه علم و صنعت چین ( USTC )در شانگهای، روشی را به نام تکنیک نمونه برداری بوزون گاوسی ( Gaussian boson ) ارائه دادند که با کامپیوتر کوانتومی خود، Jiŭzhāng ، انجام داده اند. نتیجه این پژوهش در ژورنال Science ارائه شد که قادر بود 76 فوتون را شناسایی کند. این نتیجه بسیار فراتر از رکورد قبلی، یعنی شناسایی تنها 5 فوتون، بود و همچنین در مقایسه با سوپرکامپیوترهای کلاسیک، توانایی بالاتری از خود نشان میداد.

برخلاف کامپیوترهای متداول امروزی که از پردازنده های سیلیکونی ساخته شده اند، کامپیوتر کوانتومی Jiŭzhāng متشکل از مجموعهای دقیق از بکارگیری لیزرها، آینه ها، منشورها و آشکارسازهای نوری است. در حقیقت این یک کامپیوتر جهانی نیست که روزی بتواند ایمیل ارسال کند و یا فایل ذخیره کند، اما دارای پتانسیل بالایی برای انجام محاسبات کوانتومی است.

در سال گذشته، گوگل توانست به واسطه کامپیوتر کوانتومی خود به نام Sycamore سر خط خبرها را به خود اختصاص دهد. به طوریکه تقریبا حدود سه دقیقه طول کشید تا Sycamore محاسباتی را انجام دهد که اجرای آن توسط یک سوپر کامپیوتر میتواند سه روز طول بکشد ( و یا بسته به متد تخمین شما تا 01 هزار سال! ). در مقاله آنها، تیم دانشگاه USTC تخمین میزند که در مقایسه با مدت زمانی که طول میکشد تا Jiŭzhāng محاسباتی را انجام دهد، انجام آنها توسط Sunway TaihuLight ، سومین سوپر کامپیوتر قدرتمند جهان، حدود 2.5 میلیارد سال طول خواهد کشید.

نمایش دیگری از برتری کوانتومی، اصطلاحی است که نقطهای را توصیف میکند که در آن یک کامپیوتر کوانتومی میتواند به طورقابل توجهی تعداد محاسباتی را انجام دهد که اجرای آنها توسط کامپیوترهای کلاسیک ( در آن نقطه از زمان) ، غیر ممکن است (تعداد محاسبات انجام شده توسط کامپیوترهای کوانتومی به طور تصاعدی افزایش مییابد ). همچنین، دلایلی وجود دارد که نشان میدهد نمونه برداری Gaussian boson میتواند کاربردهای عملی داشته باشد، مانند حل مسائل تخصصی در شیمی کوانتوم و ریاضیات. توانایی کنترل فوتونها به عنوان کیوبیت، پیش شرط هر اینترنت کوانتومی در مقیاس بزرگ است (هر کیوبیت یک بیت کوانتومی است که مشابه با بیتهایی درنظر گرفته میشود که برای نمایش اطلاعات در محاسبات کلاسیک استفاده میشود).

Scott Aaronson یک متخصص علوم کامپیوتر در دانشگاه تگزاس است که توانست در آن زمان به همراه یکی از دانشجویان بهنام Alex Arkhipov ، برای اولین بار اصول نمونه برداری از boson را در سال 2011 بیان کنند. بنا بر اظهارات Aaronson ، واضح ومشخص نبود که این اتفاق رُخ خواهد داد، چرا که برای سالهای زیادی تنها در حدود 3 تا 5 فوتون شناسایی شده بود که با “جهش طولانی” فاصله داشته و مقیاس کردن آنها دشوار بود.

در چند سال اخیر، محاسبات کوانتومی از یک مدل مبهم خارج شده و به یک سرمایه گذاری میلیارد دلاری تبدیل شده و به دلیل تاثیر بالقوه آن بر امنیت ملی، اقتصاد جهانی و مبانی فیزیک و علوم کامپیوتر، به رسمیت شناخته شده است. در سال 2019، ایالات متحده قانون ابتکار ملی کوانتوم را به منظور سرمایهگذاری بیش از 1.2 میلیارد دلار در فناوری کوانتوم طی ده سال آینده را به تصویب رساند. این موضوع با ارائهی برنامههای زمانی غیر واقعی و برخی ادعاهای عجیب در خصوص اینکه کامپیوترهای کوانتومی، کامپیوترهای کلاسیک را منسوخ خواهند کرد، باعث ایجاد هیاهو و جلب توجه بسیاری شد.

از دیگر موارد نشان دهنده قابلیت کامپیوترهای کوانتومی، توانایی بالای کامپیوتر کوانتومی گروه USTC برای انجام محاسبات است که در برابر رویکرد گوگل، تفاوت چشمگیری دارد. Sycamore (کامپیوتر کوانتومی گوگل) از حلقه های ابر رسانای فلزی برای تشکیل کیوبیت استفاده میکند؛ در حالیکه در کامپیوتر کوانتومی Jiŭzhāng ، فوتونها نقش کیوبیت را ایفا میکنند. بر طبق اظهارات Lu ، مستقل بودن اصول محاسبات کوانتومی از سخت افزار سیستم، منجر به برتری این نوع از کامپیوترها بوده و به ما این اطمینان را میدهد که در دراز مدت، شبیهسازی کوانتومی مفید واقع شده و وجود کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا امکان پذیر خواهد بود.

چرا کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل بالایی دارند؟! آزمایش معروف دو شکاف را درنظر بگیرید که در آن یک فوتون به یک مانع با دو شکاف A و B شلیک میشود. فوتون از طریق A و یا B عبور نمیکند. در عوض، این آزمایش نشان میدهد که فوتون میتواند در “برهمنهی” و یا ترکیبی از احتمالات وجود داشته باشد که از میان A و B عبور کرده است. از نظر تئوری، بهره برداری از خواص کوانتومی مانند برهمنهی، به کامپیوترهای کوانتومی این امکان را میدهد تا در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک و هنگام رویارویی با برخی مسائل خاص، سرعتهای نمایی بدست آورند.

فیزیکدانان در اوایل سال 2000 به بهره برداری از خواص کوانتومی فوتونها به منظور ساختن کامپیوترهای کوانتومی، علاقهمند بودند.
از آنجا که فوتونها میتوانند به عنوان کیوبیت در دمای اتاق عمل کنند، بنابراین نیازی به کار پرهزینه ی خنک سازی در حد چند کلوین ( در حدود 455 درجه فارنهایت)، در مقایسه با دیگر طرحهای محاسبات کوانتومی، برای آنها وجود ندارد. اما به سرعت مشخص شد که تولید گسترده کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر نور، غیر عملی است به طوریکه برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی فعال، به میلیونها لیزر و دستگاههای نوری دیگر نیاز است. در نتیجه برتری کوانتومی مبتنی بر فوتونها، دور از دسترس به نظرمیرسید.

پس از آن در سال 2011 ، Aaronson و Arkhipov مفهوم نمونهبرداری از boson را ارائه داده و نشان دادند که چگونه میتوان این کار را تنها با یک کامپیوتر کوانتومی که از چند لیزر، آینه، منشور و آشکارسازهای نوری ساخته شده است، انجام داد. این اتفاق باعث شد تا مسیری پیش روی کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتون قرار بگیرد که نشان دهندهی سریعتر بودن آنها نسبت به کامپیوترهای کلاسیک است.

آماده سازی و تنظیمات مربوط به نمونهبرداری از boson مشابه نوعی اسباببازی موسوم به ماشین لوبیا است که متشکل از یک تخته گیره دار، پوشیده از یک ورق شیشه های شفاف است. در این بازی، توپها از بالا به پایین پرتاپ میشوند. هنگام پایین آمدن، از گیره ها و یکدیگر جدا شده تا زمانیکه در شکافهای پایین تخته قرار گیرند. شبیهسازی توزیع توپها در کامپیوتر کلاسیک کار نسبتا آسانی است.

در نمونهگیری boson به جای توپ، از فوتون استفاده میشود و آینه ها و منشورها جایگزین گیره ها میشوند. فوتونهای لیزر از طریق آینه و منشور برانگیخته شده تا در یک اسلات (شکاف) قرار گیرند و شناسایی شوند. برخلاف توپهای کلاسیک، خواص کوانتومی فوتون به افزایش نمایی توزیع احتمالی منجر میشود.

مسئلهای که نمونه برداری boson حل میکند، پاسخ به این سوال است که اساسا “منظور از توزیع فوتونها چیست؟”. نمونهبرداری boson خود یک کامپیوتر کوانتومی است که مسائل خودش را با توزیع فوتونها حل میکند.

این درحالی است که یک کامپیوتر کلاسیک و معمولی باید توزیع فوتونها را با محاسبه بخش ثابتی در یک ماتریس که به ” Permanent ” شناخته میشود، فهمیده ودرک کند. برای یک ورودی با دو فوتون، این کار تنها با یک محاسبه کوتاه برای یک آرایه دو در دو ، صورت میگیرد. اما هرچه تعداد ورودیهای فوتونی و آشکارسازها افزایش یابد، سایز آرایه هم بزرگتر شده و در نتیجه، مشکل محاسباتی بهصورت تصاعدی و نمایی افزایش پیدا میکند.

در سال گذشته، گروه USTC نمونهبرداری از boson را با استفاده از 14 فوتون شناسایی شده نشان دادند- این محاسبات برای یک لپتاپ، سخت و مشکل ولی توسط یک سوپر کامپیوتر به راحتی صورت میگیرد. برای دستیابی با برتری کوانتومی، از پروتکل متفاوت تری به نام نمونه برداری Gaussian boson استفاده شد.

خانم Christine Silberhorn یک متخصص اپتیک کوانتوم در دانشگاه Paderborn آلمان و یکی از توسعهدهندگان نمونه برداری Gaussian boson است. وی میگوید: این روش طراحی شده تا جلوی تک فوتونهای غیر قابل اعتماد که در روش نمونهبرداری بوزون در تکنیک Aaronson & Arkhipov استفاده شده، گرفته شود.

طبق اظهارات خانم Silberhorn که معتقد است: “من واقعا قصد داشتم این کار را عملی کنم”، این یک طرح و تکنیک مختص کارهایی است که می توان آن را به صورت تجربی انجام داد.

به گفته ایشان، راهاندازی کامپیوتر کوانتومی گروه USTC بسیار پیچیده است. Jiŭzhāng بر پایهی یک لیزر شکافته شده، شروع به کار میکند و به 25 کریستال مایع برخورد میکند که از پتاسیم تیتانیل فسفات ( از جمله مواد شناخته شده جهت کاربردهای اپتیکی غیر خطی) تشکیل شدهاند. پس از برخورد هر کریستال، به راحتی میتوان دو فوتون که در خلاف جهت هم هستند، از یکدیگر جدا کرد. سپس، فوتونها از طریق 100 ورودی ارسال میشوند و برای عبور از مسیری که از 300 منشور و 75 آینه ساخته شده، با یکدیگر رقابت میکنند. در نهایت فوتونها در 100 شکاف (اسلات) قرار گرفته تا شناسایی شوند. گروه USTC بیش از 200 ثانیه اجرا انجام داده که در این بین توانسته حدود 43 فوتون را شناسایی کند. اما در یک اجرا، آنها توانستند 76 فوتون را شناسایی و مشاهده کرده که برای توجیه ادعای برتری کامپیوتر کوانتومی آنها، کافی است.

تخمین اینکه چقدر زمان برای یک سوپر کامپیوتر نیاز است تا بتواند یک توزیع با 76 فوتون شناسایی شده را حل کند، کار دشواری است؛ زیرا نیاز به زمانی در حدود 2.5 میلیارد سال دارد که نشان میدهد این کار به هیچ وجه عملی نیست. به جای این روش، محققان از روش برونیابی استفاده میکنند، به گونهای که از زمانی که طول میکشد تا تعداد کمتری از فوتونهای ردیابی شده را محاسبه کنند، برونیابی میکنند. در بهترین حالت با استفاده از این تکنیک، محققان ادعا میکنند که حل 50 فوتون توسط یک سوپر کامپیوتر، دو روز طول میکشد که بسیار کندتر از زمان اجرای 200 ثانیهای مدل Jiŭzhāng است.

سالهاست که طرحهای نمونهبرداری boson در مقیاس کم برای فوتونها، کمرنگ شده است، چرا که اندازهگیری آنها فوقالعاده دشوار است. به منظور حفظ آرایش کوانتومی، فوتونها باید به صورت غیر قابل تشخیص، باقی بمانند. یک مسابقه اسبسواری را تصور کنید که در آن تمام اسبها باید دقیقا در زمان یکسان از دروازه شروع به کار، آزاد شده و در زمان یکسان نیز به پایان برسند.
متاسفانه، فوتونها بسیار غیر قابل اعتمادتر از اسبها هستند و در نظر گرفتن این شرایط برای آنها مشکل است.

از آنجا که فوتونها در مدل Jiŭzhāng یک مسیر 22 متری را طی میکنند، بنابراین موقعیت آنها از یکدیگر نمیتواند بیش از 25 نانومتر تفاوت داشته باشد. Lu این وضعیت را اینگونه بیان میکند که این فوتونها معادل 100 اسب است که 100 کیلومتر را طی و از خط پایان عبور میکنند به گونهای که بیش از عرض یک تار مو، بین آنها فاصله وجود ندارد.

نام کامپیوتر کوانتومی گروه USTC ، یعنی Jiŭzhāng ، از Jiŭzhāng Suànshù یا ” نُه فصل در هنر ریاضیات” گرفته شده که یک متن باستانی به زبان چینی و متاثر از قیاس با عناصر اقلیدسی است.

محاسبات کوانتومی، پیچ و تاب بسیاری دارد. Lu میگوید: جدایی از کامپیوترهای کلاسیک، عملی و ممکن نیست؛ در عوض یک رقابت مداوم و مستمر بین الگوریتمها و کامپیوترهای کلاسیک با کامپیوترهای کوانتومی وجود خواهد داشت.

در پایان ماه اکتبر، محققان مرکز محاسبات کوانتومی Xanadu در کانادا، الگوریتمی را یافتند که منجر به کاهش زمان شبیه سازی در کامپیوترهای کلاسیک برای برخی از آزمایشهای مربوط به نمونهبرداری boson شده است. از این رو، اگر قبلا 50 فوتون شناسایی شده برای برتری کامپیوترهای کوانتومی کافی بود، اکنون به 100 مورد نیاز است.

برای دانشمندان علوم کامپیوتر نظیر Aaronson ، این نتیجه بسیار هیجانانگیز است، زیرا به ارائهی شواهد بیشتر در برابر تز تورینگ کمک میکند که نشان میداد هر سیستم فیزیکی را میتوان به شکل موثری بر روی کامپیوترهای کلاسیک شبیه سازی کرد.

به نظر Aaronson ، اگر در گستردهترین سطح، جهان را به شکل یک کامپیوتر تصور کنیم، آن وقت این کامپیوتر از چه نوعی خواهد بود؟ کلاسیک و یا کوانتومی ؟!…

به نظر میرسد که تاکنون، جهان مانند کامپیوترهایی که سعی در ساخت آن داریم، به شدت کوانتومی است !…