دنیای رایانش کوانتومی پر از ایده‌هایی است که در تئوری جذاب‌اند، اما در عمل ساخت آن‌ها با چالش‌های بزرگ روبه‌روست. اکنون، یک آزمایش جدید نشان داده است که می‌توان داده‌های کوانتومی را با دقت بالا به مقصد مورد نظر هدایت کرد. این تیم موفق شده است به نرخ موفقیت ۹۵٫۳ درصد در انتقال داده‌های کوانتومی در آزمایشگاه برسد — عددی که توجه بسیاری از متخصصان را جلب کرده است.
تمرکز بر حافظه، نه فقط سرعت
در این پروژه، حافظه به‌عنوان یک بخش فرعی در نظر گرفته نشده است. تیم تحقیقاتی روتر جدیدی ساخته که می‌تواند سیگنال‌های کوانتومی را بر اساس آدرس کوانتومی هدایت کند. این ویژگی، سنگ‌بنای طراحی حافظه تصادفی کوانتومی (QRAM) محسوب می‌شود و در معماری‌هایی که نیاز به انتقال منعطف داده بین کیوبیت‌ها دارند، نقشی حیاتی ایفا می‌کند.
چرا روتر کوانتومی اهمیت دارد؟
در رایانش کلاسیک، سرعت بالا به لطف توانایی در ذخیره و بازیابی سریع داده از حافظه حاصل می‌شود. QRAM نیز تلاشی است برای تحقق همین مفهوم در پردازنده‌های کوانتومی. در این ساختار، یک کیوبیت آدرس می‌تواند به یک مکان خاص یا ترکیبی از چندین مکان (superposition) اشاره کند — مفهومی که نخستین بار در طرح اولیه QRAM مطرح شد.
اگر یک روتر بتواند حالت کوانتومی را به مجموعه‌ای از سلول‌های حافظه در وضعیت برهم‌نهی بفرستد، الگوریتم‌هایی که باید میان میلیون‌ها رکورد جست‌وجو یا نمونه‌گیری کنند، می‌توانند با گام‌های کمتر و سرعت بیشتر اجرا شوند.
این ایده سال‌هاست که در محافل علمی مطرح شده، اما نبود دستگاهی عملی برای مسیریابی دقیق بر اساس آدرس کوانتومی مانع آزمایش آن بوده است.
روتر کوانتومی استنفورد چگونه عمل می‌کند؟
این دستگاه فشرده توسط تیمی در دانشگاه استنفورد ساخته شده است و می‌تواند یک کیوبیت ورودی را به یکی از دو خروجی، یا به ترکیبی از هر دو هدایت کند. مسیر خروجی بر اساس وضعیت کیوبیت کنترلی تنظیم می‌شود.
سازوکار فنی روتر
سخت‌افزار این روتر از کیوبیت‌های ابررسانای ترانسمون (Transmon Superconducting Qubits – TSQ) ساخته شده است؛ مداری که نسبت به نویز بار بسیار مقاوم‌تر از طراحی‌های اولیه است. این سیستم شامل چهار ترانسمون با فرکانس ثابت است که نقش ورودی، سوئیچ و دو خروجی را ایفا می‌کنند.
- عملکرد روتر بر اساس دو عملیات کنترل‌شده‌ی جابه‌جایی (iSWAP) است.
- این عملیات به کمک برهم‌کنش ZZ coupling میان سوئیچ و ورودی فعال یا غیرفعال می‌شوند.
- با اجرای دو iSWAP متوالی، حالت کوانتومی از ورودی به خروجی ۱ یا ۲ منتقل می‌شود، بسته به اینکه سوئیچ در چه وضعیتی باشد.
کانی میائو، نویسنده اصلی از دانشگاه استنفورد می‌گوید:
«ما یک روتر Q2 طراحی کرده‌ایم که از کیوبیت‌های ترانسمون با فرکانس ثابت برای پیاده‌سازی پروتکل مسیریابی مبتنی بر دو گیت کنترل‌شده iSWAP استفاده می‌کند.»
کنترل مسیر از طریق اتصال دائم ZZ صورت می‌گیرد که باعث تغییر فرکانس انتقالی بسته به وضعیت سوئیچ می‌شود و مسیر صحیح را تعیین می‌کند.
نتایج عملکرد روتر کوانتومی
دقت مسیریابی گزارش‌شده برابر با ۹۵٫۳ درصد است؛ این عدد میانگینی از پیکربندی‌های مختلف ورودی و سوئیچ بوده که شامل هر دو حالت کلاسیک و کوانتومی است. خطاهای باقیمانده عمدتاً ناشی از ناپایداری فاز و کاهش عمر کیوبیت‌ها در طول فرآیند هستند.
تیم تحقیقاتی با بررسی منابع خطا دریافت که بیشتر افت عملکرد به محدودیت عمر انرژی و نویز در مدارهای ابررسانا مربوط است — همان مشکلی که در اغلب سیستم‌های کوانتومی دیده می‌شود.
چالش‌ها و محدودیت‌ها
گرچه روتر فعلی تنها بین دو خروجی کار می‌کند (کوچک‌ترین نمونه کاربردی ممکن)، برای ساخت یک QRAM بزرگ باید تعداد زیادی از این ماژول‌ها در ساختاری درختی به هم متصل شوند. در هر گره، یک بیت آدرس بارگذاری می‌شود و حالت کوانتومی به سطح بعدی انتقال می‌یابد.
با افزایش ابعاد شبکه، اتصال‌های دائمی ZZ می‌توانند موجب تداخل متقاطع (cross talk) شوند. به همین دلیل، نسخه‌های آینده احتمالاً از کوپلرهای قابل تنظیم استفاده خواهند کرد تا تعامل‌ها فقط هنگام عملیات فعال باشند و در زمان بیکار غیرفعال شوند.
از سوی دیگر، عناصر حافظه باید بتوانند حالت‌ها را برای مدت طولانی‌تری نگه دارند تا داده‌ها بدون نویز اضافه بازگردانده شوند.
کاربردها و آینده روتر کوانتومی
- در کوتاه‌مدت، می‌توان از این دستگاه به عنوان اتصال‌دهنده محلی روی تراشه استفاده کرد، جایی که چند عنصر حافظه یا حسگر از یک خط ورودی مشترک بهره می‌برند.
- روتر انتخابی می‌تواند سیگنال را با مسیر کوتاه‌تر منتقل کند و بار اصلاح خطا را کاهش دهد.
- در بلندمدت، همین مفهوم در شبکه‌های کوانتومی نیز قابل استفاده است — جایی که آدرس‌های کوانتومی می‌توانند مسیرهای درهم‌تنیده را بدون فاش کردن جزئیات مسیر تنظیم کنند. این موضوع می‌تواند در حریم خصوصی و محاسبات توزیع‌شده نقش کلیدی داشته باشد.
تمام این چشم‌اندازها به پیشرفت مداوم در کیفیت اجزا وابسته‌اند؛ از مواد بهتر برای ساخت کیوبیت‌ها گرفته تا کنترل دقیق‌تر پالس‌ها. با اینکه این مسیر هنوز طولانی است، اما این روتر نشان داده که مسیریابی و آدرس‌دهی کوانتومی می‌تواند در یک پلتفرم ابررسانا به‌طور هم‌زمان انجام شود.
اصطلاحات کلیدی
- Transmon: نوعی کیوبیت ابررسانا که با ترکیب اتصال جوزفسون و خازن بزرگ ساخته می‌شود تا نویز بار را کاهش دهد.
- iSWAP: گیتی دوکیوبیتی که حالات برانگیختگی را میان دو کیوبیت با فاز مشخصی جابه‌جا می‌کند.
- ZZ Interaction: نوعی کوپلینگ ایستا که فرکانس یک کیوبیت را بر اساس وضعیت دیگری تغییر می‌دهد.
- Decoherence: فرایندی که در آن حالت کوانتومی با محیط برهم‌کنش کرده و اطلاعات فاز یا انرژی خود را از دست می‌دهد.
درک داده‌های روتر کوانتومی
«دقت مسیریابی» نشان‌دهنده درصد دفعاتی است که خروجی آزمایشی با حالت هدف مطابقت دارد. هرچه این عدد بالاتر باشد، دستگاه پایدارتر است. در این مطالعه، دو عملیات iSWAP کنترل‌شده نشان دادند که می‌توانند بین حالت‌های کلاسیک و برهم‌نهی به‌خوبی تمایز قائل شوند — گامی اساسی برای تحقق کامل QRAM.
گام بعدی تحقیقات، حفظ همین دقت در حالی است که زمان گیت‌ها کوتاه‌تر و تعداد خروجی‌های قابل آدرس‌دهی افزایش می‌یابد.
نتایج کامل این پژوهش در مجله PRX Quantum منتشر شده است.
جمع‌بندی
روتر کوانتومی جدید دانشگاه استنفورد با دقت ۹۵٫۳ درصد نشان داد که می‌توان داده‌های کوانتومی را با آدرس‌دهی دقیق جابه‌جا کرد. این گام، مسیر را برای تحقق حافظه‌های کوانتومی و شبکه‌های هوشمند آینده هموار می‌کند.
اگر به فناوری‌های کوانتومی علاقه‌مندید، مقاله مرتبط ما درباره پیشرفت‌های جدید در پردازنده‌های ابررسانا را مطالعه کنید و دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
