ضبط یک فوتون از نور: مهار کردن مشکل نویز کوانتوم

شکل ۱. این تصویر یک جز به تازگی توسعه‌یافته را به تصویر می‌کشد که به عنوان نقطه اتصال جوسف سون شناخته می‌شود و می‌تواند یک فوتون از نور را تشخیص دهد. این تحقیق که توسط فضای هوش رایتون هدایت می‌شود، کاربردهای بالقوه ای برای حسگرها، ارتباطات و کامپیوترهای کوانتومی دارد.

دانشمندان در فن‌آوری‌های BBN رایتون راه جدیدی را برای تشخیص یک فوتون یا ذره نور توسعه داده‌اند-پیشرفتی با کاربردهای بزرگ برای حسگرها، ارتباطات و پردازنده‌های کامپیوتری کوانتومی بسیار قدرتمندتر. این تیم کار خود را منتشر کرده است که بر روی استفاده از بخشی به نام نقطه اتصال جوزف در مجله علمی دانشگاهی متمرکز است. این کشف بر اساس تحقیقات قبلی هم‌تیمی‌شان در آشکار‌ساز امواج مایکروویو ۱۰۰ هزار برابر حساس‌تر از سیستم‌های موجود است.

کین چونگ فونگ، یک دانشمند پردازش اطلاعات کوانتومی در رایتون تکنولوژی‌های BBN و یک محقق مرتبط در دانشگاه هاروارد، گفت: «اتصال جوسف سون در محاسبات کوانتومی شبیه به یک ترانزیستور برای الکترونیک مدرن است، بنابراین آن‌ها بسیار مهم هستند.» دستگاه جدید ما این واحد پایه در محاسبات کوانتومی را قادر می‌سازد تا به اندازه یک فوتون از طریق آن ارتباط برقرار کند. سرعت ارتباطات را بهبود می‌بخشد و می‌تواند شبکه‌های کوانتومی را ایجاد کند و حس کردن را ممکن سازد.

محققان و آزمایشگاه‌های سراسر جهان شروع به ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ‌تر کرده‌اند که به دنبال باز کردن وعده پردازش سریع‌تر هستند. برد توسلی، رئیس فن‌آوری‌های BBN رایتون، گفت: «در تئوری کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند جای کامپیوترهای سنتی که قدرت پردازش ندارند را بگیرند.» کامپیوترهای کوانتومی به طور خاص در حل مسائل بهینه‌سازی بحرانی خوب هستند. یک مثال برای طراحی به کمک کامپیوتر یک سیستم بزرگ مانند یک هواپیما خواهد بود. محاسبات کوانتومی تجزیه‌و‌تحلیل محدود‌تری از چیزی مانند یک شکل بال را نسبت به قبل ممکن می‌سازد. بهینه‌سازی اساسی پردازش روزمره اولین مشکلی است که ما دوست داریم با محاسبات کوانتومی مقابله کنیم

محدودیت فنی نویز پس‌زمینه است که باعث از دست رفتن حافظه و ایجاد خطا در پردازش می‌شود. در‌حالی‌که محققان دیگر صدا را مشکل می‌دانند، فونگ و تیم او فرصت را می‌بینند. روش آن‌ها کمی شبیه به یک بزرگراه است، که در آن بارهای ابررسانایی نقش ماشین‌ها را ایفا می‌کنند. در اصل، آن‌ها می‌توانند بدون برخورد با یکدیگر بسیار سریع حرکت کنند. سر‌و‌صدای پس‌زمینه مانند یک ماشین شکسته در خط مرکزی است-که جریان ترافیک را می‌شکند.

فانگ گفت: «این وقفه می‌تواند داده‌ها را در کاربردهای محاسبات کوانتومی از بین ببرد.» «با این حال، ما می‌توانیم از همین پدیده برای تشخیص یک فوتون استفاده کنیم که به ترافیک اجازه می‌دهد تا به سرعت خود ادامه دهد.» این کشف بخشی از یک تلاش تحقیقاتی در فن‌آوری‌های BBN رایتون، یکی از شرکت‌های تابعه فضای اطلاعاتی رایتون است. بانک بی‌ان‌رایتون بیش از ۷۰ سال است که تحقیقات و توسعه فن‌آوری پیشرفته ارائه می‌دهد و اغلب به عنوان یک پیوند حیاتی بین ارتش و محققان در دانشگاه‌ها عمل می‌کند. به عنوان مثال، آن یکی از اولین گره‌ها در ARپانت، پیشگام اینترنت بود که توسط آژانس پروژه‌های تحقیقات پیشرفته دفاع یا دارپا تامین مالی شد. دانشمندان در BBN رایتون در پرتفوی‌های گسترده کار می‌کنند، در‌حالی‌که مهندسی کوانتوم و محاسبات همچنان نوید قابلیت‌های نسل آینده را می‌دهند.

توسلی گفت: «این کشف در حال باز کردن پردازنده‌های کوانتومی است تا مانند قبل به هم متصل شوند.» گام بعدی مشخص کردن عملکرد و افزایش مقیاس بیش از یک دستگاه به صورت موازی یا اتصال چندین دستگاه است. تیم BBN رایتون بر این باورند که آن‌ها دارای تخصص مهندسی سیستم‌ها هستند تا این تحقیق اساسی را به کاربردهای عملی‌تر برسانند. فانگ گفت: «ما خلا فنی را با اولین نقطه اتصال جوزف برای ردیابی یک فوتون پر کرده‌ایم.» این یک فن‌آوری توانمند کننده برای شبکه‌سازی، ارتباطات و محاسبات است. ما واقعا در حال خراشیدن سطح هستیم.

تحقق فیزیکی

چالش‌های مهندسی زیادی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. کیوبیت‌ها دائما باید از واهمدوس شدن در امان نگه داشته شوند که این امر با کمینه کردن برهمکنش کیوبیت‌ها با جهان خارجی محقق می‌شود. با این حال، حتی بهترین سیستم‌ طراحی شده نمی‌تواند به طور کامل از ورود انتروپی به سیستم، جلوگیری کند، درست مانند ارتباطات بی‌سیم که همیشه در معرض مقداری نویز گرمایی هستند. پس از سرد کردن کیوبیت‌ها به یک حالت با انتروپی کم، کامپیوترهای کوانتومی باید بتوانند محاسباتشان را به اندازه‌ای سریع انجام دهند که قبل از واهمدوسی توسط نویز گرمایی یا سایر عوامل، یک پاسخ خروجی بدهند. همیشه نمی‌توان از واهمدوسی جلوگیری کرد، بنابراین مکانیسم‌های تصحیح خطا باید در سیستم حاضر باشند، مثلا مجموعه‌ای از کیوبیت‌های اضافی موجود باشند که حالات خراب شده قبل از اتمام محاسبات را، بتوانند بازگردانی کنند.

از طرفی، کامپیوترهای کوانتومی برای دستکاری حالتشان، به منابعی با قدرتی معادل ماشین تورینگ نیاز دارند تا به عنوان کامپیوترهای کوانتومی درنظر گرفته شوند. کامپیوترهای کوانتومی باید با گیت‌ها ساخته شوند. آن‌ها همچنین می‌توانند به صورت ماشین‌های حالت خوشه‌ای (cluster-state) یا بی‌دررو (adiabatic) ساخته شوند. در سیستم‌های بی‌دررو، پاسخ به یک محاسبه، به صورت حالت پایه‌ی شبکه‌ای از برهمکنش‌های کیوبیتی تعریف شده و سپس کیوبیت‌ها را با فعال کردن این برهمکنش‌ها به صورت متوالی، به حالت پایه می‌برد. در سیستم‌های حالت خوشه‌ای، یک حالت کوانتومی خاص، با دستکاری کیوبیت‌ها با مجموعه‌ی کوچکی از گیت‌های غیر جهانی ساخته می‌شود،‌ سپس جهانی بودن، با تغییر درجه اطمینان‌ اندازه‌گیری‌ها بدست می‌آید. سیستم‌های حالت خوشه و آدیاباتیکی که به طور معمولی ساخته شده‌اند، در قدرت دادن به کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر گیت، هم‌ارز بوده و همچنین پیاده‌سازی آن‌ها با فناوری‌های خاصی، ساده‌تر است.

در نهایت، تمام طراحی‌های کامپیوتر کوانتومی باید مقیاس‌پذیر باشند. کل نکته‌ی کامپیوترهای کوانتومی، این است که افزایش سرعت نمایی برای انواع معینی از مسائل می‌تواند با افزایش خطی منابع حاصل شود. در حالیکه کیوبیت‌ها به طور ارثی، قابلیت موازی‌کاری کوانتومی را دارا هستند، اما آن‌ها تنها مولفه‌ی یک سیستم فیزیکی نیستند. از طرفی، سیستم برای منزوی کردن کیوبیت‌ها از جهان خارجی و جلوگیری از واهمدوسی، برای بازگردانی حالت خراب، برای سرد کردن کیوبیت‌ها به حالت با انتروپی کم به منظور آماده‌سازی آن‌ها برای محاسبه و برای دسترسی به منابع به منظور دستکاری و اندازه گیری کیوبیت‌ها، به راهی نیاز دارد. این منابع، اغلب با چند مرتبه بزرگی، بزرگتر از مولفه‌های کامپیوترهای کلاسیکی هستند، بنابراین اگر سیستم، مقیاس‌پذیر باشد، تمام این منابع باید به طور خطی، با تعداد کیوبیت‌ها رشد کنند. تاکنون کامپیوترهای فیزیکی کوانتومی در قالب سیستم‌های متفاوتی پیاده‌سازی شده‌اند که در ادامه، 5 دسته‌ی مهم‌تر آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

کامپیوترهای تله اتمی

طراحی‌های تله اتمی از تک‌اتم‌ها به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند. آن‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی برای نگه‌داشتن اتم‌ها به صورت معلق با دقت نانومتر در خلا و در نزدیکی دماهای صفر مطلق، طراحی‌های سخت‌افزاری عجیبی را به کار می‌گیرند. همانطور که انتظار می‌رود، این شرایط بحرانی، به طور موثری در منزوی کردن اتم‌ها از اختلالات خارجی،‌ موثر هستند؛ در نتیجه این کیوبیت‌ها عموما همدوسی را خیلی طولانی‌تر از آنچه برای کامل کردن محاسبات کوانتومی لازم است، ‌حفظ می‌کنند که این امر، نقطه‌ی قوت این فناوری به شمار می‌آید.

یک دسته‌بندی فرعی رایج در این حوزه، کامپیوترهای تله یونی هستند. در این طراحی، لیزرها می‌توانند به عنوان گیت‌های منطقی عمل کنند. تبدیلات حالت کوانتومی هر کیوبیت می‌تواند با اعمال لیزرها به یون‌ها انجام شود و همچنین کیوبیت‌ها می‌توانند با یکدیگر درهم تنیده شوند. آماده‌سازی از طریق پمپ‌کردن نوری (فرایند بالا بردن تراز انرژی الکترون‌ها با استفاده از نور) انجام می‌شود که یون هدف را با حالات برانگیخته که در نهایت به یک تک‌حالت واپاشی می‌کنند، جفت می‌کند. این یون‌ها به وسیله‌ی یک لیزر اندازه‌گیری می‌شوند که اگر یون به یک حالت 1 تقلیل یافته باشد، باعث خواهد شد یون، فوتون‌ها را تابش کند، و اگر به حالت 0 تقلیل یافته باشد، هیچ چیزی تابش نکند. این طراحی‌ها دارای مشکلات مقیاس‌پذیری هستند، زیرا حساسیت و شکنندگی همدوسی، با افزودن یون‌های بیشتر، افزایش می‌یابد و این امر می‌تواند کارآمدی استفاده از لیزرها به عنوان گیت‌های منطقی را‌ کاهش دهد.

یکی از جایگزین‌های تله های یونی، اتم‌های خنثی هستند. در این طراحی، آرایه‌هایی از اتم‌ها با استفاده از یک شبکه نوری پرتوهای لیزری متقاطع، محصور می‌شوند. کیوبیت‌‌ها می‌توانند از طریق درهم تنیده کردن اتم‌های همسایه از طریق برهمکنش‌های تماسی، برهمکنش کنند. چالش عمده‌ی این طراحی، کنترل آماده‌سازی، برهمکنش و اندازه گیری کیوبیت‌هاست.

کامپیوترهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای

تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، پدیده‌ای است که هسته‌ها در یک میدان مغناطیسی، تابش را جذب و نشر می‌کنند. NMR برای مطالعه‌ی اثرات کوانتومی و فیزیک ملکولی و همچنین در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می‌شود. NMR در حال حاضر، یک فناوری نسبتا بالغ است،‌ بنابراین در سال 1966، روش‌هایی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از این فناوری پیشنهاد شد.

به طور کلی، کامپیوترهای کوانتومی NMR، می‌توانند به دو دسته تقسیم شوند: حالت جامد و حالت مایع. در هر دو مورد، کامپیوترهای NMR از کل ملکول‌ها به عنوان کیوبیت‌ها و از اسپین ملکولی کلی آن‌ها برای متمایز کردن حالات استفاده می‌کنند. متاسفانه نسبت ضعیف سیگنال به نویز، مانع مقیاس ‌پذیری طراحی‌های NMR‌ می‌شود. طراحی‌های حالت مایع NMR در ایجاد درهم تنیدگی کوانتومی مشکل دارند که این امر، مانع محاسبات کوانتومی واقعی می‌شود. علی‌رغم آنکه فناوری NMR، جزو بالغ‌ترین فناوری‌های فعلی طراحی‌ کامپیوتر کوانتومی به شمار می‌آید، اما به نظر می‌رسد به جای آنکه خودش منجر به توسعه‌ی کامپیوترهای NMR مقیاس‌بزرگ شود، بیشتر به پیشرفت و توسعه‌ی سایر فناوری‌های کوانتومی کمک کند.

کامپیوترهای فوتونی یا نوری

این دسته از کامپیوترهای کوانتومی، از فوتون‌ها به عنوان واحدهای سازنده‌اش استفاده می‌کند. یکی از نقاط قوت طراحی‌های فوتونی این است که فوتون‌ها در برابر واهمدوسی، نسبتا مقاوم‌اند، اما برعکس،‌ با استفاده از این فناوری دستیابی به برهمکنش‌هایی که منطق جهانی را امکان‌پذیر می‌کنند، نسبتا دشوار است.

در سال 2001، کنیل و همکارانش نشان دادند که کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتون، مقیاس‌پذیرند. با این حال، طراحی‌های امروزی از برهمکنش‌های غیرقطعی استفاده می‌کنند که مفیدبودن آن‌ها را کاهش می‌دهند،‌ چرا که پژوهش‌ها به سمت قطعی‌کردن برهمکنش‌ها پیش می‌روند. الگوریتم‌های کوانتومی ساده با استفاده از یک طراحی حالت خوشه و به کمک سیستم‌های فوتونی ثابت شده‌اند. مدارهای فعلی از گیت‌های منطقی حدود یک سانتی‌متری استفاده می‌کنند که چند مرتبه بزرگتر از همتایان کلاسیکی‌شان هستند،‌ اما از آنجایی که قدرت کامپیوترهای کوانتومی با افزایش خطی منابع فیزیکی، به صورت نمایی افزایش می‌یابد، مورد ذکر شده برای استفاده‌ی عملی، هنوز کوچک است.

کامپیوترهای نقطه کوانتومی

نقاط کوانتومی، بلورهای بسیار کوچکی هستند که با مشخصه‌های الکتریکی وابسته به اندازه و شکل بلور، به صورت شبه‌رسانا عمل می‌کنند. در محاسبات نقطه‌ی کوانتومی، از نقاط کوانتومی به عنوان کیوبیت استفاده می‌شود. جریان الکترون‌ها از طریق نقاط کوانتومی می‌تواند به دقت کنترل شود که در نتیجه، اندازه‌گیری دقیق اسپین و سایر ویژگی‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. در این حوزه هم مانند سایر فناوری‌های کامپیوتر کوانتومی، دسته‌بندی‌های فرعی متنوعی وجود دارد، مانند نقاط به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده و نقاط خودمونتاژگر. به علاوه، روش‌های متنوعی برای دستیابی به محاسبات جهانی با استفاده از نقاط کوانتومی پیشنهاد شده است؛ مثلا نقاط کوانتومی که هر یک، شامل یک تک الکترون هستند. در این طراحی، الکترون‌ها خودشان به عنوان کیوبیت عمل می‌کنند.

نقاط کوانتومی به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده و خود مونتاژگر، هر یک دارای نقاط ضعفی هستند. نقاط کوانتومی به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده، با برهمکنش تبادلی فوق‌العاده کوتاه‌برد مهار می‌شوند که محدودیت بزرگی برای اجرای تصحیح خطای کوانتومی تحمل خطاست. مشکل بزرگ نقاط کوانتومی خودمونتاژگر، ‌تصادفی بودن آن‌هاست،‌ در واقع آن‌ها در موقعیت‌های تصادفی شکل می‌گیرند و دارای مشخصه‌های نوری همگنی نیستند. تکنیک‌های پیشرفته‌ی تولید، برای کنترل محدود رفتار نقاط یا حتی امکان‌پذیر کردن قرارگیری قطعی آن‌ها، در حال کشف شدن هستند. کامپیوترهای نقطه کوانتومی،‌ توانایی کنترل شدن در یک پیکوثانیه بر هر عمل را نشان می‌دهند که نشان از پتانسیل آن‌ها برای محاسبات فوق‌العاده سریع دارد.

کامپیوترهای ابررسانا

مدارهای مجتمع کلاسیکی، از نشت زیاد توان رنج می‌برند و به خاطر همین مشخصه، اگر برای استفاده از آن‌ها در مدارهای کوانتومی تلاش می‌شد، واهمدوسی، بسیار سریع رخ می‌داد و در نتیجه اجازه‌ی محاسبات مفیدی را نمی‌داد. اما این واهمدوسی در ابررساناهای دمای پایین، بسیار کمتر است؛ بنابراین محققان تلاش می‌کنند با استفاده از این فناوری، مدارهای کوانتومی بسازند و خبر خوب اینکه با استفاده از روش‌های موجود،‌ می‌توان آن‌ها را تولید کرد. کیوبیت‌های ابررسانا نسبت به تمام طراحی‌های کامپیوتر کوانتومی، نزدیک‌ترین شباهت فیزیکی را به بیت‌های کلاسیکی دارند. آن‌ها از مدارهایی با یک اتصال جوزفسون (Josephson junction) ساخته می‌شوند، یعنی یک لایه‌ی عایق نازک که بخش‌‌های یک ابررسانا را جدا می‌کند. جریان الکترون‌ها در طول اتصال جوزفسون، منجر به ویژگی‌های فیزیکی می‌شود که مدار را برای استفاده به عنوان یک کیوبیت، مناسب می‌کند.

در این طرح، گیت‌های منطقی کوانتومی بنیادی، با داشتن جفت کیوبیت‌های مجاور، به صورت خازنی یا القایی، ساخته می‌شوند، اما این مکانیسم، خیلی قابل تنظیم نیست. پژوهش‌هایی درباره‌ی فعال یا غیرفعال کردن برهمکنش‌ها از طریق جفت‌های قابل تنظیم انجام شده و احتمال استفاده از این تکنیک برای دستیابی به محاسبات کوانتومی قابل تنظیم با ابررساناها، بررسی شده است.

در ابتدا اعتقاد بر این بود که ماهیت ماکروسکوپی کیوبیت‌های ابررسانا که از حدود 10 به توان 10 الکترون‌ِ هدایت استفاده می‌کنند، منجر به زمان‌های واهمدوسی سریع و غیرعملی خواهد شد. قطعا در آزمایش‌های اولیه، ابررساناهای کوانتومی، زمان‌های واهمدوسی در مقیاس نانوثانیه را تجربه کردند. اما پس از آن، زمان‌های واهمدوسی به چند میکروثانیه افزایش یافتند که یک یا دو مرتبه، طولانی‌تر از زمان‌ آماده‌سازی و اندازه‌گیری ابررساناست. با این وجود در حال حاضر، مبارزه با واهمدوسی سریع،‌ مهم‌ترین مانع در پیاده‌سازی کامپیوترهای کوانتومی ابررساناست و احتمالا مهندسی مواد میکروسکوپی برای کاهش نویز واهمدوسی، لازم خواهد بود.

https://blog.tarjomyar.ir/%D8%B6%D8%A8%D8%B7-%DB%8C%DA%A9-%D9%81%D9%88%D8%AA%D9%88%D9%86-%D8%A7%D8%B2-%D9%86%D9%88%D8%B1-%D9%85%D9%87%D8%A7%D8%B1-%DA%A9%D8%B1%D8%AF%D9%86-%D9%85%D8%B4%DA%A9%D9%84-%D9%86%D9%88%DB%8C%D8%B2-%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85-xslwcketloe2?source=grid_footer_post-----1-44

https://icqts.ir/portal/home/?news/255068/255265/291561/%D9%85%D8%AD%D8%A7%D8%B3%D8%A8%D8%A7%D8%AA-%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C--%D8%AF%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D8%A7%D9%86-%D9%BE%D8%B1%D9%81%D8%B1%D8%A7%D8%B2-%D9%88-%D9%86%D8%B4%DB%8C%D8%A8-%D8%B1%D8%B3%DB%8C%D8%AF%D9%86-%D8%A8%D9%87-%D8%A8%D8%A7%D8%B4%DA%A9%D9%88%D9%87%E2%80%8C%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D9%86-%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%B1%DB%8C%E2%80%8C-%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C-(%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA-%D8%B3%D9%88%D9%85)

راه حل شگفت‌انگیز محققان برای حذف نویز رایانه‌های کوانتومی

تحقیقات جدید صورت گرفته در دانشگاه ملی استرالیا نشان می‌دهد، مشکل فنی اصلی در مسیر طراحی رایانه‌های کوانتومی می‌تواند به زودی امکان ساخت یک رایانه را فراهم کند.

تحقیقات جدید صورت گرفته در دانشگاه ملی استرالیا نشان می‌دهد، مشکل فنی اصلی در مسیر طراحی رایانه‌های کوانتومی می‌تواند به زودی امکان ساخت یک رایانه را فراهم کند.

به گزارش سرویس فناوری خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا)، دکتر «آندره کاروالو» از محققان مرکز محاسبات کوانتومی و فناوری ارتباطات دانشگاه ملی استرالیا (ANU) با همکاری محققانی از برزیل و اسپانیا به دنبال یک طرح جدید برای رایانه‌های کوانتومی هستند.

بر اساس این تحقیق، نویز یا سیگنال ناخواسته (noise) که مانع از عملکرد دقیق رایانه کوانتومی می‌شود، می‌تواند خود عاملی برای بهتر کار کردن رایانه کوانتومی شود.

دکتر کاروالو تأکید می کند: بسیاری از مردم با انواع مختلف خطاهای رایانه‌یی مواجه شده‌اند، مثل فایلی که باز نمی‌شود، CD‌ که خوانده نمی‌شود و راه حل هایی برای برطرف شدن این مشکلات وجود دارند. روش‌های بر طرف کردن ایرادات در رایانه‌های کوانتومی را می‌دانیم، اما باید سطح اختلال (noise) کنترل شود، آن قدر که رایانه بتواند کار کند.

به گفته کاروالو در ساخت یک رایانه کوانتومی با مقیاس های اتمی و سیستم های میکروسکوپی سر و کار دارید که فوق العاده به نویز حساس هستند.

اما راه حل مقابله با این نویزهای مزاحم بسیار جالب است، محققان دریافته‌اند که افزودن نویزهای اضافی به سیستم می‌تواند باعث عملکرد رایانه‌های کوانتومی شود.

پردازش اطلاعات کوانتومی دارای پتانسیل برای ایجاد انقلاب در راه انجام محاسبات است. در صورت وجود رایانه کوانتومی می توان مشکلاتی مانند شکستن کدها در معاملات اساسی اینترنتی را حل کرد.

نتیجه این تحقیق در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.

ضبط یک فوتون از نور: مهار کردن مشکل نویز کوانتوم

شکل ۱. این تصویر یک جز به تازگی توسعه‌یافته را به تصویر می‌کشد که به عنوان نقطه اتصال جوسف سون شناخته می‌شود و می‌تواند یک فوتون از نور را تشخیص دهد. این تحقیق که توسط فضای هوش رایتون هدایت می‌شود، کاربردهای بالقوه ای برای حسگرها، ارتباطات و کامپیوترهای کوانتومی دارد.

منتشر‌شده در phys.org به تاریخ ۷ می ۲۰۲۱
لینک منبع Capturing a single photon of light: Harnessing quantum's 'noise problem'

دانشمندان در فن‌آوری‌های BBN رایتون راه جدیدی را برای تشخیص یک فوتون یا ذره نور توسعه داده‌اند-پیشرفتی با کاربردهای بزرگ برای حسگرها، ارتباطات و پردازنده‌های کامپیوتری کوانتومی بسیار قدرتمندتر. این تیم کار خود را منتشر کرده است که بر روی استفاده از بخشی به نام نقطه اتصال جوزف در مجله علمی دانشگاهی متمرکز است. این کشف بر اساس تحقیقات قبلی هم‌تیمی‌شان در آشکار‌ساز امواج مایکروویو ۱۰۰ هزار برابر حساس‌تر از سیستم‌های موجود است.

کین چونگ فونگ، یک دانشمند پردازش اطلاعات کوانتومی در رایتون تکنولوژی‌های BBN و یک محقق مرتبط در دانشگاه هاروارد، گفت: «اتصال جوسف سون در محاسبات کوانتومی شبیه به یک ترانزیستور برای الکترونیک مدرن است، بنابراین آن‌ها بسیار مهم هستند.» دستگاه جدید ما این واحد پایه در محاسبات کوانتومی را قادر می‌سازد تا به اندازه یک فوتون از طریق آن ارتباط برقرار کند. سرعت ارتباطات را بهبود می‌بخشد و می‌تواند شبکه‌های کوانتومی را ایجاد کند و حس کردن را ممکن سازد.

محققان و آزمایشگاه‌های سراسر جهان شروع به ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ‌تر کرده‌اند که به دنبال باز کردن وعده پردازش سریع‌تر هستند. برد توسلی، رئیس فن‌آوری‌های BBN رایتون، گفت: «در تئوری کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند جای کامپیوترهای سنتی که قدرت پردازش ندارند را بگیرند.» کامپیوترهای کوانتومی به طور خاص در حل مسائل بهینه‌سازی بحرانی خوب هستند. یک مثال برای طراحی به کمک کامپیوتر یک سیستم بزرگ مانند یک هواپیما خواهد بود. محاسبات کوانتومی تجزیه‌و‌تحلیل محدود‌تری از چیزی مانند یک شکل بال را نسبت به قبل ممکن می‌سازد. بهینه‌سازی اساسی پردازش روزمره اولین مشکلی است که ما دوست داریم با محاسبات کوانتومی مقابله کنیم.

ممکن است علاقمند به مطالعه مقاله سیاه‌چاله ابر پرجرم سرگردان فضا در یک کهکشان خیلی دور باشید.

https://blog.tarjomyar.ir/%D8%B6%D8%A8%D8%B7-%DB%8C%DA%A9-%D9%81%D9%88%D8%AA%D9%88%D9%86-%D8%A7%D8%B2-%D9%86%D9%88%D8%B1-%D9%85%D9%87%D8%A7%D8%B1-%DA%A9%D8%B1%D8%AF%D9%86-%D9%85%D8%B4%DA%A9%D9%84-%D9%86%D9%88%DB%8C%D8%B2-%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85-xslwcketloe2

محدودیت فنی نویز پس‌زمینه است که باعث از دست رفتن حافظه و ایجاد خطا در پردازش می‌شود. در‌حالی‌که محققان دیگر صدا را مشکل می‌دانند، فونگ و تیم او فرصت را می‌بینند. روش آن‌ها کمی شبیه به یک بزرگراه است، که در آن بارهای ابررسانایی نقش ماشین‌ها را ایفا می‌کنند. در اصل، آن‌ها می‌توانند بدون برخورد با یکدیگر بسیار سریع حرکت کنند. سر‌و‌صدای پس‌زمینه مانند یک ماشین شکسته در خط مرکزی است-که جریان ترافیک را می‌شکند.

فانگ گفت: «این وقفه می‌تواند داده‌ها را در کاربردهای محاسبات کوانتومی از بین ببرد.» «با این حال، ما می‌توانیم از همین پدیده برای تشخیص یک فوتون استفاده کنیم که به ترافیک اجازه می‌دهد تا به سرعت خود ادامه دهد.» این کشف بخشی از یک تلاش تحقیقاتی در فن‌آوری‌های BBN رایتون، یکی از شرکت‌های تابعه فضای اطلاعاتی رایتون است. بانک بی‌ان‌رایتون بیش از ۷۰ سال است که تحقیقات و توسعه فن‌آوری پیشرفته ارائه می‌دهد و اغلب به عنوان یک پیوند حیاتی بین ارتش و محققان در دانشگاه‌ها عمل می‌کند. به عنوان مثال، آن یکی از اولین گره‌ها در ARپانت، پیشگام اینترنت بود که توسط آژانس پروژه‌های تحقیقات پیشرفته دفاع یا دارپا تامین مالی شد. دانشمندان در BBN رایتون در پرتفوی‌های گسترده کار می‌کنند، در‌حالی‌که مهندسی کوانتوم و محاسبات همچنان نوید قابلیت‌های نسل آینده را می‌دهند.

توسلی گفت: «این کشف در حال باز کردن پردازنده‌های کوانتومی است تا مانند قبل به هم متصل شوند.» گام بعدی مشخص کردن عملکرد و افزایش مقیاس بیش از یک دستگاه به صورت موازی یا اتصال چندین دستگاه است. تیم BBN رایتون بر این باورند که آن‌ها دارای تخصص مهندسی سیستم‌ها هستند تا این تحقیق اساسی را به کاربردهای عملی‌تر برسانند. فانگ گفت: «ما خلا فنی را با اولین نقطه اتصال جوزف برای ردیابی یک فوتون پر کرده‌ایم.» این یک فن‌آوری توانمند کننده برای شبکه‌سازی، ارتباطات و محاسبات است. ما واقعا در حال خراشیدن سطح هستیم.

آشکارسازهای امواج گرانشی

افزایش دقت آشکارسازهای امواج گرانشی : گوش کردن به خلا کوانتومی!

1

توسط طناز محمدی اکبری در ۱۴ فروردین ۱۳۹۸تازه ترین اخبار کوانتومی

مکانیک کوانتومی، به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، محدودیتی بنیادی در دقت اندازه‌گیری‌های پیوسته ایجاد می‌کند و به عبارتی عمل برگشتی باعث افزایش عدم قطعیت در متغیر‌های مزدوج می‌شود. تاکنون پیشنهادات متعددی برای بهبود حساسیت آشکارسازهای امواج گرانشی مطرح شده‌، حالا دانشمندان در پژوهشی موفق شده‌اند به خلا کوانتومی در دمای اتاق گوش دهند و عمل بازگشتی را اندازه گیری کنند که این امر موجب افزایش حساسیت آشکارسازهای امواج گرانشی می‌شود. نتیجه‌ی این پژوهش در مجله‌ی نیچر منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

در سال ۲۰۱۵ دانشمندان یافته‌هایی تاریخی از امواج گرانشی ناشی از برخورد دو سیاهچاله با فاصله‌ی بیش از یک میلیارد سال نوری بدست آوردند. از آن زمان تاکنون، فیزیکدانان در حال افزایش سطح دانش خود از محدودیت‌های دقت اندازه‌گیری این امواج گرانشی هستند که ساخت نسل بعدی این ابزارها و تکنولوژی آنها را بهبود بخشد و مورد استفاده‌ی محققان امواج گرانشی قرار گیرد.

ابزارهای آشکارسازی امواج گرانشی ، تداخل سنج‌ ها هستند که از نور لیزر برای مقایسه‌ی تفاوت تغییر طول دو بازوی عمود برهم خود هنگام عبور امواج گرانشی استفاده می‌کنند. برهمکنش‌های گرانشی، بسیار ضعیف هستند، بنابراین تغییرات طول این بازوها بسیار کوچک است. در حین ثبت تغییرات، نویزهای متفاوتی مانند نویز گرمایی، نویز لرزش زمین و نویز کوانتومی‌ منجر به اختلال در دقت اندازه‌گیری تداخل سنج‌ها می‌شود که در نسل جدید تداخل‌سنج‌ امواج گرانشی لیگو، نویز کوانتومی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. نویز کوانتومی حدی است که مکانیک کوانتومی در اندازه‌گیری مکان ایجاد می‌کند و شامل نویز شمارش فوتون و نویز فشار تابشی است.

اخیرا توماس کوربیت (Thomas Corbitt)، دانشیار دانشکده‌ی فیزیک و نجوم دانشگاه ایالتی لوئیزیانا (LSU) و تیم تحقیقاتی او، برای اولین بار موفق به اندازه‌گیری بدون تشدید نویز فشار تابش کوانتومی (off-resonance measurement of quantum radiation pressure noise) در باند صوتی و در فرکانس‌های مربوط به آشکارسازهای امواج گرانشی شده‌اند. نتایج این پژوهش می‌تواند به توسعه‌ی روش‌هایی برای بهبود حساسیت آشکارسازهای امواج گرانشی از طریق ساخت و توسعه‌ی تکنیک‌هایی برای افزایش بی دقتی‌ها در اندازه‌گیری‌ که به آن عمل برگشتی (back action) گفته می‌شود، کمک کند، بدین ترتیب احتمال آشکارسازی امواج گرانشی افزایش می‌یابد.

گوش دادن به خلا کوانتومی

محققان دستگاه‌هایی فیزیکی اختراع کرده‌اند که امکان مشاهده (و شنیدن) اثرات کوانتومی را در دمای اتاق فراهم می‌کنند. اندازه‌گیری اثرات کوانتومی در دماهای بسیار پایین، ساده‌تر است، در حالی که این رویکرد، آنها را به تجربه‌ی انسانی، نزدیک‌تر می‌کند. این دستگاه‌ها، شامل مدل‌های مینیاتوری آشکارسازهایی مانند لیگو یا تداخل سنج لیزری امواج گرانشی است که در لیوینگستون، لس آنجلس، هانفورد و واش واقع شده‌اند.

یک پرتو لیزر به سمت یکی از این آینه‌های معلق، هدایت شده و زمانیکه این پرتو منعکس می‌شود، فشار تابش افت و خیزی آن برای خم کردن ساختار پایه‌ای آن، به اندازه‌ای است که باعث ارتعاش لایه‌ی آینه‌ای آن و سپس موجب ایجاد نویز شود.

تداخل سنج‌های امواج گرانشی تا آنجا که ممکن است برای به حداقل رساندن عدم قطعیت ناشی از اندازه‌گیری فوتون‌های گسسته و به حداکثر رساندن نسبت سیگنال به نویز، از توان لیزری بالا استفاده می‌کنند. این پرتوهای پرقدرت، باعث افزایش دقت مکان شده، اما به افزایش «عمل برگشتی» نیز کمک می‌کنند که این همان عدم قطعیت در تعداد فوتون‌های منعکس شده از یک آینه است. انواع دیگر نویز، مانند نویز گرمایی، معمولا بر نویز فشار تابش کوانتومی غالب است. تداخل سنج لیگو و دیگر تداخل سنج‌های نسل دوم و سوم در حین کار با قدرت لیزری کاملشان، توسط نویز فشار تابش کوانتومی در فرکانس‌های پایین محدود خواهند شد. مقاله‌ی کوربت در مجله‌ی نیچر، سرنخ‌هایی از چگونگی عملکرد محققان هنگام اندازه‌گیری امواج گرانشی ارائه می‌دهد. جاناتان کریپ (Jonathan Cripe)، دکترای فیزیک و مشاور پیشین دانشگاه کوربت و نویسنده‌ی اصلی مقاله می‌گوید:

واقعا جالب است در مورد این واقعیت فکر کنیم که مکانیک کوانتومی، چیزی که به نظر می‌رسد مربوط به دنیای دیگری است و در تجربه‌ی روزانه‌ی ما، ظاهر نمی‌شود، هدایتگر اصلی حرکت آینه‌ای است که برای چشم انسان قابل مشاهده است. خلا کوانتومی یا هیچ چیز بودن می‌تواند روی چیزی که می‌بینید تاثیر بگذارد!

پدرو مارونتی (Pedro Marronetti)، فیزیکدان و مدیر بنیاد ملی علوم، اضافه می‌کند که این سیستم می‌تواند برای آزمایش ایده‌های جدید در جهت رشد و توسعه‌ی آشکارسازهای امواج گرانشی کاربردی باشد، به‌ خصوص می‌تواند هنگام کمینه کردن نویز ظاهر شده در اندازه‌گیری تداخل سنج در مقیاس کامل استفاده شود. او گفت:

این پیشرفت غیرمنتظره، موجب دستیابی به فرصت‌های جدید برای آزمایش کاهش نویز در آینده می‌شود. سادگی نسبی رویکرد این سیستم، آن را برای گروه‌های تحقیقاتی گسترده‌ای در دسترس قرار داده و به طور بالقوه، منجر به مشارکت بسیاری از دانشمندان و علاقمندان اخترفیزیک در حوزه‌ی امواج گرانشی می‌شود.

مشخصات نویسندگان مقاله بررسی اثر حالت نور در نویز کوانتومی آشکارسازهای تداخل سنجی امواج گرانشی LIGO

سارا توفیقی - دانشکده فیزیک دانشگاه تهرانفاطمه شجاعی باغینی - دانشکده فیزیک دانشگاه تهرانعلیرضا بهرامپور - دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف

چکیده مقاله:

نویز کوانتومی تداخل سنج امواج گرانشی شامل نویز شمارش فوتون و نویز فشار تابشی است. این نویزها را در حالتی که از درگاه روشن ( درگاه لیزر) تداخل سنج، نور لیزر با حالت همدوس و از درگاه تاریک آن، نوری با حالت کلی (فرمول در متن اصلی موجود می باشد) وارد شود، محاسبه کردیم. سپس ضرایب cn را به گونه ای انتخاب کردیم که نویز کوانتومی مینیمم شود. با انتخاب این حالات به عنوان ورودی تداخل سنج، نویز کوانتومی نسبت به حد کوانتومی استاندارد (SQL) دو مرتبه بزرگی کاهش مییابد.

کد مقاله/لینک ثابت به این مقاله

برای لینک دهی به این مقاله می توانید از لینک زیر استفاده نمایید. این لینک همیشه ثابت است و به عنوان سند ثبت مقاله در مرجع سیویلیکا مورد استفاده قرار میگیرد:

https://civilica.com/doc/85424/

نحوه استناد به مقاله:

در صورتی که می خواهید در اثر پژوهشی خود به این مقاله ارجاع دهید، به سادگی می توانید از عبارت زیر در بخش منابع و مراجع استفاده نمایید:

توفیقی، سارا و شجاعی باغینی، فاطمه و بهرامپور، علیرضا،1388،بررسی اثر حالت نور در نویز کوانتومی آشکارسازهای تداخل سنجی امواج گرانشی LIGO،کنفرانس فیزیک ایران 1388،اصفهان،،،https://civilica.com/doc/85424

در داخل متن نیز هر جا که به عبارت و یا دستاوردی از این مقاله اشاره شود پس از ذکر مطلب، در داخل پارانتز، مشخصات زیر نوشته می شود.
برای بار اول: (1388، توفیقی، سارا؛ فاطمه شجاعی باغینی و علیرضا بهرامپور)
برای بار دوم به بعد: (1388، توفیقی؛ شجاعی باغینی و بهرامپور)
برای آشنایی کامل با نحوه مرجع نویسی لطفا بخش راهنمای سیویلیکا (مرجع دهی) را ملاحظه نمایید.

تحقق فیزیکی

چالش‌های مهندسی زیادی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. کیوبیت‌ها دائما باید از واهمدوس شدن در امان نگه داشته شوند که این امر با کمینه کردن برهمکنش کیوبیت‌ها با جهان خارجی محقق می‌شود. با این حال، حتی بهترین سیستم‌ طراحی شده نمی‌تواند به طور کامل از ورود انتروپی به سیستم، جلوگیری کند، درست مانند ارتباطات بی‌سیم که همیشه در معرض مقداری نویز گرمایی هستند. پس از سرد کردن کیوبیت‌ها به یک حالت با انتروپی کم، کامپیوترهای کوانتومی باید بتوانند محاسباتشان را به اندازه‌ای سریع انجام دهند که قبل از واهمدوسی توسط نویز گرمایی یا سایر عوامل، یک پاسخ خروجی بدهند. همیشه نمی‌توان از واهمدوسی جلوگیری کرد، بنابراین مکانیسم‌های تصحیح خطا باید در سیستم حاضر باشند، مثلا مجموعه‌ای از کیوبیت‌های اضافی موجود باشند که حالات خراب شده قبل از اتمام محاسبات را، بتوانند بازگردانی کنند.

از طرفی، کامپیوترهای کوانتومی برای دستکاری حالتشان، به منابعی با قدرتی معادل ماشین تورینگ نیاز دارند تا به عنوان کامپیوترهای کوانتومی درنظر گرفته شوند. کامپیوترهای کوانتومی باید با گیت‌ها ساخته شوند. آن‌ها همچنین می‌توانند به صورت ماشین‌های حالت خوشه‌ای (cluster-state) یا بی‌دررو (adiabatic) ساخته شوند. در سیستم‌های بی‌دررو، پاسخ به یک محاسبه، به صورت حالت پایه‌ی شبکه‌ای از برهمکنش‌های کیوبیتی تعریف شده و سپس کیوبیت‌ها را با فعال کردن این برهمکنش‌ها به صورت متوالی، به حالت پایه می‌برد. در سیستم‌های حالت خوشه‌ای، یک حالت کوانتومی خاص، با دستکاری کیوبیت‌ها با مجموعه‌ی کوچکی از گیت‌های غیر جهانی ساخته می‌شود،‌ سپس جهانی بودن، با تغییر درجه اطمینان‌ اندازه‌گیری‌ها بدست می‌آید. سیستم‌های حالت خوشه و آدیاباتیکی که به طور معمولی ساخته شده‌اند، در قدرت دادن به کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر گیت، هم‌ارز بوده و همچنین پیاده‌سازی آن‌ها با فناوری‌های خاصی، ساده‌تر است.

در نهایت، تمام طراحی‌های کامپیوتر کوانتومی باید مقیاس‌پذیر باشند. کل نکته‌ی کامپیوترهای کوانتومی، این است که افزایش سرعت نمایی برای انواع معینی از مسائل می‌تواند با افزایش خطی منابع حاصل شود. در حالیکه کیوبیت‌ها به طور ارثی، قابلیت موازی‌کاری کوانتومی را دارا هستند، اما آن‌ها تنها مولفه‌ی یک سیستم فیزیکی نیستند. از طرفی، سیستم برای منزوی کردن کیوبیت‌ها از جهان خارجی و جلوگیری از واهمدوسی، برای بازگردانی حالت خراب، برای سرد کردن کیوبیت‌ها به حالت با انتروپی کم به منظور آماده‌سازی آن‌ها برای محاسبه و برای دسترسی به منابع به منظور دستکاری و اندازه گیری کیوبیت‌ها، به راهی نیاز دارد. این منابع، اغلب با چند مرتبه بزرگی، بزرگتر از مولفه‌های کامپیوترهای کلاسیکی هستند، بنابراین اگر سیستم، مقیاس‌پذیر باشد، تمام این منابع باید به طور خطی، با تعداد کیوبیت‌ها رشد کنند. تاکنون کامپیوترهای فیزیکی کوانتومی در قالب سیستم‌های متفاوتی پیاده‌سازی شده‌اند که در ادامه، 5 دسته‌ی مهم‌تر آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

کامپیوترهای تله اتمی

طراحی‌های تله اتمی از تک‌اتم‌ها به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند. آن‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی برای نگه‌داشتن اتم‌ها به صورت معلق با دقت نانومتر در خلا و در نزدیکی دماهای صفر مطلق، طراحی‌های سخت‌افزاری عجیبی را به کار می‌گیرند. همانطور که انتظار می‌رود، این شرایط بحرانی، به طور موثری در منزوی کردن اتم‌ها از اختلالات خارجی،‌ موثر هستند؛ در نتیجه این کیوبیت‌ها عموما همدوسی را خیلی طولانی‌تر از آنچه برای کامل کردن محاسبات کوانتومی لازم است، ‌حفظ می‌کنند که این امر، نقطه‌ی قوت این فناوری به شمار می‌آید.

یک دسته‌بندی فرعی رایج در این حوزه، کامپیوترهای تله یونی هستند. در این طراحی، لیزرها می‌توانند به عنوان گیت‌های منطقی عمل کنند. تبدیلات حالت کوانتومی هر کیوبیت می‌تواند با اعمال لیزرها به یون‌ها انجام شود و همچنین کیوبیت‌ها می‌توانند با یکدیگر درهم تنیده شوند. آماده‌سازی از طریق پمپ‌کردن نوری (فرایند بالا بردن تراز انرژی الکترون‌ها با استفاده از نور) انجام می‌شود که یون هدف را با حالات برانگیخته که در نهایت به یک تک‌حالت واپاشی می‌کنند، جفت می‌کند. این یون‌ها به وسیله‌ی یک لیزر اندازه‌گیری می‌شوند که اگر یون به یک حالت 1 تقلیل یافته باشد، باعث خواهد شد یون، فوتون‌ها را تابش کند، و اگر به حالت 0 تقلیل یافته باشد، هیچ چیزی تابش نکند. این طراحی‌ها دارای مشکلات مقیاس‌پذیری هستند، زیرا حساسیت و شکنندگی همدوسی، با افزودن یون‌های بیشتر، افزایش می‌یابد و این امر می‌تواند کارآمدی استفاده از لیزرها به عنوان گیت‌های منطقی را‌ کاهش دهد.

یکی از جایگزین‌های تله های یونی، اتم‌های خنثی هستند. در این طراحی، آرایه‌هایی از اتم‌ها با استفاده از یک شبکه نوری پرتوهای لیزری متقاطع، محصور می‌شوند. کیوبیت‌‌ها می‌توانند از طریق درهم تنیده کردن اتم‌های همسایه از طریق برهمکنش‌های تماسی، برهمکنش کنند. چالش عمده‌ی این طراحی، کنترل آماده‌سازی، برهمکنش و اندازه گیری کیوبیت‌هاست.

کامپیوترهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای

تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، پدیده‌ای است که هسته‌ها در یک میدان مغناطیسی، تابش را جذب و نشر می‌کنند. NMR برای مطالعه‌ی اثرات کوانتومی و فیزیک ملکولی و همچنین در تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می‌شود. NMR در حال حاضر، یک فناوری نسبتا بالغ است،‌ بنابراین در سال 1966، روش‌هایی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از این فناوری پیشنهاد شد.

به طور کلی، کامپیوترهای کوانتومی NMR، می‌توانند به دو دسته تقسیم شوند: حالت جامد و حالت مایع. در هر دو مورد، کامپیوترهای NMR از کل ملکول‌ها به عنوان کیوبیت‌ها و از اسپین ملکولی کلی آن‌ها برای متمایز کردن حالات استفاده می‌کنند. متاسفانه نسبت ضعیف سیگنال به نویز، مانع مقیاس ‌پذیری طراحی‌های NMR‌ می‌شود. طراحی‌های حالت مایع NMR در ایجاد درهم تنیدگی کوانتومی مشکل دارند که این امر، مانع محاسبات کوانتومی واقعی می‌شود. علی‌رغم آنکه فناوری NMR، جزو بالغ‌ترین فناوری‌های فعلی طراحی‌ کامپیوتر کوانتومی به شمار می‌آید، اما به نظر می‌رسد به جای آنکه خودش منجر به توسعه‌ی کامپیوترهای NMR مقیاس‌بزرگ شود، بیشتر به پیشرفت و توسعه‌ی سایر فناوری‌های کوانتومی کمک کند.

کامپیوترهای فوتونی یا نوری

این دسته از کامپیوترهای کوانتومی، از فوتون‌ها به عنوان واحدهای سازنده‌اش استفاده می‌کند. یکی از نقاط قوت طراحی‌های فوتونی این است که فوتون‌ها در برابر واهمدوسی، نسبتا مقاوم‌اند، اما برعکس،‌ با استفاده از این فناوری دستیابی به برهمکنش‌هایی که منطق جهانی را امکان‌پذیر می‌کنند، نسبتا دشوار است.

در سال 2001، کنیل و همکارانش نشان دادند که کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتون، مقیاس‌پذیرند. با این حال، طراحی‌های امروزی از برهمکنش‌های غیرقطعی استفاده می‌کنند که مفیدبودن آن‌ها را کاهش می‌دهند،‌ چرا که پژوهش‌ها به سمت قطعی‌کردن برهمکنش‌ها پیش می‌روند. الگوریتم‌های کوانتومی ساده با استفاده از یک طراحی حالت خوشه و به کمک سیستم‌های فوتونی ثابت شده‌اند. مدارهای فعلی از گیت‌های منطقی حدود یک سانتی‌متری استفاده می‌کنند که چند مرتبه بزرگتر از همتایان کلاسیکی‌شان هستند،‌ اما از آنجایی که قدرت کامپیوترهای کوانتومی با افزایش خطی منابع فیزیکی، به صورت نمایی افزایش می‌یابد، مورد ذکر شده برای استفاده‌ی عملی، هنوز کوچک است.

کامپیوترهای نقطه کوانتومی

نقاط کوانتومی، بلورهای بسیار کوچکی هستند که با مشخصه‌های الکتریکی وابسته به اندازه و شکل بلور، به صورت شبه‌رسانا عمل می‌کنند. در محاسبات نقطه‌ی کوانتومی، از نقاط کوانتومی به عنوان کیوبیت استفاده می‌شود. جریان الکترون‌ها از طریق نقاط کوانتومی می‌تواند به دقت کنترل شود که در نتیجه، اندازه‌گیری دقیق اسپین و سایر ویژگی‌ها را امکان‌پذیر می‌کند. در این حوزه هم مانند سایر فناوری‌های کامپیوتر کوانتومی، دسته‌بندی‌های فرعی متنوعی وجود دارد، مانند نقاط به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده و نقاط خودمونتاژگر. به علاوه، روش‌های متنوعی برای دستیابی به محاسبات جهانی با استفاده از نقاط کوانتومی پیشنهاد شده است؛ مثلا نقاط کوانتومی که هر یک، شامل یک تک الکترون هستند. در این طراحی، الکترون‌ها خودشان به عنوان کیوبیت عمل می‌کنند.

نقاط کوانتومی به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده و خود مونتاژگر، هر یک دارای نقاط ضعفی هستند. نقاط کوانتومی به طور الکتروستاتیکی تعریف‌شده، با برهمکنش تبادلی فوق‌العاده کوتاه‌برد مهار می‌شوند که محدودیت بزرگی برای اجرای تصحیح خطای کوانتومی تحمل خطاست. مشکل بزرگ نقاط کوانتومی خودمونتاژگر، ‌تصادفی بودن آن‌هاست،‌ در واقع آن‌ها در موقعیت‌های تصادفی شکل می‌گیرند و دارای مشخصه‌های نوری همگنی نیستند. تکنیک‌های پیشرفته‌ی تولید، برای کنترل محدود رفتار نقاط یا حتی امکان‌پذیر کردن قرارگیری قطعی آن‌ها، در حال کشف شدن هستند. کامپیوترهای نقطه کوانتومی،‌ توانایی کنترل شدن در یک پیکوثانیه بر هر عمل را نشان می‌دهند که نشان از پتانسیل آن‌ها برای محاسبات فوق‌العاده سریع دارد.

کامپیوترهای ابررسانا

مدارهای مجتمع کلاسیکی، از نشت زیاد توان رنج می‌برند و به خاطر همین مشخصه، اگر برای استفاده از آن‌ها در مدارهای کوانتومی تلاش می‌شد، واهمدوسی، بسیار سریع رخ می‌داد و در نتیجه اجازه‌ی محاسبات مفیدی را نمی‌داد. اما این واهمدوسی در ابررساناهای دمای پایین، بسیار کمتر است؛ بنابراین محققان تلاش می‌کنند با استفاده از این فناوری، مدارهای کوانتومی بسازند و خبر خوب اینکه با استفاده از روش‌های موجود،‌ می‌توان آن‌ها را تولید کرد. کیوبیت‌های ابررسانا نسبت به تمام طراحی‌های کامپیوتر کوانتومی، نزدیک‌ترین شباهت فیزیکی را به بیت‌های کلاسیکی دارند. آن‌ها از مدارهایی با یک اتصال جوزفسون (Josephson junction) ساخته می‌شوند، یعنی یک لایه‌ی عایق نازک که بخش‌‌های یک ابررسانا را جدا می‌کند. جریان الکترون‌ها در طول اتصال جوزفسون، منجر به ویژگی‌های فیزیکی می‌شود که مدار را برای استفاده به عنوان یک کیوبیت، مناسب می‌کند.

در این طرح، گیت‌های منطقی کوانتومی بنیادی، با داشتن جفت کیوبیت‌های مجاور، به صورت خازنی یا القایی، ساخته می‌شوند، اما این مکانیسم، خیلی قابل تنظیم نیست. پژوهش‌هایی درباره‌ی فعال یا غیرفعال کردن برهمکنش‌ها از طریق جفت‌های قابل تنظیم انجام شده و احتمال استفاده از این تکنیک برای دستیابی به محاسبات کوانتومی قابل تنظیم با ابررساناها، بررسی شده است.

در ابتدا اعتقاد بر این بود که ماهیت ماکروسکوپی کیوبیت‌های ابررسانا که از حدود 10 به توان 10 الکترون‌ِ هدایت استفاده می‌کنند، منجر به زمان‌های واهمدوسی سریع و غیرعملی خواهد شد. قطعا در آزمایش‌های اولیه، ابررساناهای کوانتومی، زمان‌های واهمدوسی در مقیاس نانوثانیه را تجربه کردند. اما پس از آن، زمان‌های واهمدوسی به چند میکروثانیه افزایش یافتند که یک یا دو مرتبه، طولانی‌تر از زمان‌ آماده‌سازی و اندازه‌گیری ابررساناست. با این وجود در حال حاضر، مبارزه با واهمدوسی سریع،‌ مهم‌ترین مانع در پیاده‌سازی کامپیوترهای کوانتومی ابررساناست و احتمالا مهندسی مواد میکروسکوپی برای کاهش نویز واهمدوسی، لازم خواهد بود.
https://icqts.ir/portal/home/?news/255068/255265/291561/%D9%85%D8%AD%D8%A7%D8%B3%D8%A8%D8%A7%D8%AA-%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C--%D8%AF%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D8%A7%D9%86-%D9%BE%D8%B1%D9%81%D8%B1%D8%A7%D8%B2-%D9%88-%D9%86%D8%B4%DB%8C%D8%A8-%D8%B1%D8%B3%DB%8C%D8%AF%D9%86-%D8%A8%D9%87-%D8%A8%D8%A7%D8%B4%DA%A9%D9%88%D9%87%E2%80%8C%D8%AA%D8%B1%DB%8C%D9%86-%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%B1%DB%8C%E2%80%8C-%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C-(%D9%82%D8%B3%D9%85%D8%AA-%D8%B3%D9%88%D9%85)

نکات مقدماتی برای ضبط صدای شفاف

پیش از آن که به بررسی قابلیت‌های نرم‌افزار بپردازیم، باید با برخی رویه‌های مقدماتی برای ضبط صدای شفاف آشنا باشیم. در ادامه برخی نمونه‌های این موارد ارائه شده‌اند:

• از هدفون استفاده کنید. اگر میکروفون شما از اسپیکرهای رایانه نویز می‌گیرد، می‌توانید با استفاده از هدفون این اکو را حذف کنید.
• از میکروفون یا هدست اختصاصی استفاده کنید. بسیاری از لپ‌تاپ‌ها میکروفون‌های داخلی با کیفیت کاملاً پایینی دارند. بدیهی است که همین میکروفون‌ها در نهایت کار می‌کنند، اما در مورد کیفیت آن‌ها نمی‌توان چیز زیادی گفت. با استفاده از یک میکروفون یا هدست اختصاصی و اتصال آن به رایانه می‌توانید کیفیت ضبط صدای خود را بسیار بالا ببرید.
• منبع نویز پس‌زمینه را حذف کرده یا از ان دور شوید. پنجره‌ها را ببندید، از منابع تهویه هوا دوری کنید، به اتاق‌های با سروصدای کمتر بروید، اپلیکیشن‌هایی که موجب به کار افتادن فن لپ‌تاپ می‌شوند را ببندید، میکروفون خود را از دهانتان دور کنید تا صدای نفس‌هایتان در صدای ضبط شده بازتاب نیابد و به طور کلی در مورد روش‌های اجتناب از نویز تأمل کنید. کیبورد مکانیکی پر سر و صدای خود را با کیبورد کم‌صداتری عوض کنید. همچنین روی روش‌های عدم تولید صدا در زمانی که صحبت نمی‌کنید، تمرکز نمایید.

فعال‌سازی کاهش نویز پس زمینه میکروفون در ویندوز

ویندوز 10 همانند ویندوز 7 و نسخه‌های قبل‌تر برخی گزینه‌های میکروفون دارد که به کاهش نویز پس‌زمینه میکروفون کمک می‌کنند. گزینه دقیق موجود به سخت‌افزار صدا در رایانه و درایورهای صدای سازنده بستگی دارد. این گزینه‌ها در کنترل پنل سنتی قرار دارند و در اپلیکیشن جدید Settings آن‌ها را نمی‌بینید. برای یافتن این گزینه‌ها، کنترل پنل را از منوی استارت باز کنید و به منوی Hardware and Sound > Sound بروید.

روی زبانه Recording در پنجره دوم کلیک کنید، دستگاه میکروفون خود را انتخاب کرده و روی Properties کلیک کنید.

روی زبانه Levels کلیک کنید. اگر با نویز پس‌زمینه مواجه هستید، تلاش کنید از گزینه Microphone Boost استفاده کنید. برای نمونه بهره‌گیری از 10.0+ dB به جای 20.0+ dB می‌تواند کمک بکند. بدین ترتیب میکروفون حساس‌تر می‌شود یعنی شنیدن صدای شما آسان‌تر می‌شود اما در عین حال ضبط نویز پس‌زمینه نیز افزایش می‌یابد.

پس از کاهش گزینه microphone boost می‌توانید گزینه صدای میکروفون (microphone volume) را نیز تا 100 افزایش دهید. اگر تنظیمات boost آل کاهش دهید و میکروفون ساکت‌تر باشد، افزایش volume امکان شنیدن صدای شما را در صدای ضبط شده بهبود می‌بخشد. پس از تغییر دادن این تنظیمات روی Apply کلیک کنید تا دوباره میکروفون را تست کنید و از بهبود نتایج مطمئن شوید.

در نهایت روی زبانه Enhancements کلیک کنید. این زبانه بسته به تنظیمات سخت‌افزار و درایورهای صوتی رایانه ممکن است موجود نباشد.

اگر گزینه Noise Suppression یا Noise Cancellation موجود باشد، آن را فعال می‌سازد. گزینه‌های دیگر در این بخش نیز به کاهش نویز پس‌زمینه کمک می‌کنند. برای نمونه روی رایانه ویندوزی که ما تست کردیم، یک گزینه Acoustic Echo Cancellation نیز وجود دارد که به کاهش اکوی ناشی از اسپیکرها در زمان عدم استفاده از هدفون کمک می‌کند. روی OK کلیک کنید تا تنظیمات ذخیره شده و پنجره بسته شود.

استفاده از نرم‌افزار یا قابلیت‌های حذف نویز

ابزارهای ارتباطی رایج به صورت فزاینده‌ای از قابلیت‌های «لغو نویز» (Noise-Cancelling) برای حذف نویز پس‌زمینه در زمان ضبط صدا در هر اپلیکیشنی روی رایانه بهره می‌گیرند. در ادامه برخی از این موارد معرفی شده‌اند:

• Google Meet – گوگل امکان لغو نویز را در تاریخ 20 آوریل 2020 به نرم‌افزار Google Meet اضافه کرده است. گوگل میت اکنون به صورت خودکار نویز پس‌زمینه را حذف می‌کند.
• Zoom – اپلیکیشن Zoom امکان کاهش نویز پس‌زمینه داخلی را به صورت پیش‌فرض فعال می‌کند. برای بررسی این گزینه‌ها تنظیمات Zoom را از منوی آن باز کنید، گزینه Audio را در نوار کناری انتخاب کرده و روی دکمه Advanced کلیک کنید. به این ترتیب قابلیت‌های زیر را مشاهده می‌کنید:
  • Suppress Persistent Background Noise
  • Suppress Intermittent Background Noise
  • Echo cancellation

این قابلیت‌های پردازش صدا به صورت پیش‌فرض همگی روی Auto هستند، اما می‌توانید آن‌ها را غیر فعال یا تنظیم کنید تا دقیق‌تر عمل کنند.

• NVIDIA RTX Voice – با نصب اپلیکیشن NVIDIA RTX Voice روی رایانه‌تان می‌توانید قابلیت Remove Background Noise را فعال کنید. که با استفاده از «یادگیری ماشین» و به کمک یک GPU انویدیا نویز پس‌زمینه را از میکروفون در هر اپلیکیشنی روی سیستم حذف می‌کند. بر اساس گزارش NVIDIA این نرم‌افزار تنها روی سیستم‌هایی که GPU-های NVIDIA RTX دارند کار می‌کند. با این حال، برخی گزارش‌ها از عملکرد مناسب این نرم‌افزار روی کارت‌های گرافیک قدیم‌تر انویدیا نیز خبر می‌دهند.
• Discord – هم اکنون Discord دارای یک قابلیت کاهش نویز داخلی است که از توان Krisp.ai بهره‌گیری می‌کند. برای فعال‌سازی آن در زمان گفتگوی صوتی، باید روی دکمه Noise Suppression در بخش پایین-چپ نوار کناری Discord کلیک کرده و Noise Suppression را فعال کنید.

Krisp.ai به صورت رایگان در دیسکورد ارائه شده است و همزمان یک محصول نرم‌افزاری نیز ارائه می‌کند که امکان لغو نویز را در هر اپلیکیشن دیگری ارائه می‌کند. نسخه رایگان این محصول امکان لغو نویز 120 دقیقه در هفته را ارائه می‌کند، اما پس از آن هزینه‌ای برابر با 3.33 دلار به صورت ماهانه دارد. اپلیکیشن‌های ویدئوکنفرانس زیاد دیگری نیز هستند که قابلیت لغو نویز داخلی دارند. برای تغییر تنظیمات آن‌ها نیز می‌توانید از پنجره Settings کمک بگیرید. اگر از یک ابزار ویدئوکنفرانس استفاده می‌کنید که لغو نویز داخلی ندارد؛ شاید بهتر باشد از یک راه‌حل مدرن‌تر بهره بگیرید