دانشمندان بریتانیا جهشی بزرگ در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی قدرتمند برداشته‌اند. آنها اعلام کرده‌اند که موفق به تله‌پورت دروازه‌های منطقی – که بلوک‌های اصلی محاسبات هستند – بین دو پردازنده‌ی کوانتومی شده‌اند که بیش از شش فوت از یکدیگر فاصله دارند.
محاسبات کوانتومی و چالش مقیاس‌پذیری
محاسبات کوانتومی نوید پردازش داده با سرعت بسیار بالا را می‌دهد، به‌گونه‌ای که قادر خواهد بود مسائلی را حل کند که رایانه‌های معمولی از پس آن برنمی‌آیند.
مقابله با چالش‌های مقیاس‌پذیری
دکتر دوگال مِین از دانشگاه آکسفورد، نویسنده‌ی اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد:
“در مطالعه‌ی خود، از تله‌پورت کوانتومی برای ایجاد تعامل بین این سیستم‌های دور از هم استفاده کردیم.”
مِین بخشی از تیمی است که در تلاش است مشکل مقیاس‌پذیری را برطرف کند. این مشکل زمانی رخ می‌دهد که برای ساخت یک رایانه‌ی کوانتومی در مقیاس وسیع، میلیون‌ها کیوبیت (واحدهای داده‌ای کوچک که هم‌زمان می‌توانند مقدار ۰ و ۱ را داشته باشند) مورد نیاز است.
قدرت کیوبیت‌ها در این است که آنها از قوانین فیزیک کوانتومی پیروی می‌کنند – شاخه‌ای از علم که رفتار ذرات را در مقیاس بسیار کوچک توضیح می‌دهد. رایانه‌های معمولی فقط می‌توانند بیت‌هایی با مقدار ۰ یا ۱ را پردازش کنند، اما کیوبیت‌ها این محدودیت را ندارند و می‌توانند هر دو مقدار را هم‌زمان داشته باشند.
تله‌پورت یک دروازه‌ی منطقی به دو پردازنده‌ی کوچک‌تر این امکان را می‌دهد که قدرت محاسباتی خود را بدون نیاز به ادغام فیزیکی ترکیب کنند. این روش ممکن است از نیاز به ساخت یک سیستم بسیار بزرگ، که از نظر ابعادی غیرعملی خواهد بود، جلوگیری کند.
دروازه‌های کوانتومی تله‌پورت شده
دروازه‌های کوانتومی مانند کلیدهایی عمل می‌کنند که نحوه‌ی تعامل کیوبیت‌ها را هدایت می‌کنند. این دروازه‌ها به‌صورت موازی کار می‌کنند و می‌توانند پردازش داده‌ها را برای وظایفی مانند رمزگذاری و جستجوی پایگاه‌های داده بزرگ به‌شدت افزایش دهند.
مِین می‌گوید:
“این پیشرفت به ما امکان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی مجزا را به‌طور مؤثر مانند یک رایانه‌ی کوانتومی کاملاً متصل به هم متصل کنیم.”
این روش ممکن است روزی باعث شود ماژول‌های کوچک‌تر به یکدیگر متصل شده و یک شبکه تشکیل دهند که مانند یک ماشین یکپارچه عمل کند.
این فناوری اخیراً در آزمایشی به کار گرفته شد که طی آن الگوریتم جستجوی گروور اجرا شد – روشی کوانتومی که می‌تواند یافتن آیتم‌ها در داده‌های نامرتب را سریع‌تر از روش‌های معمول انجام دهد. تیم تحقیقاتی گزارش کرد که این آزمایش ۷۱٪ موفقیت داشت، که نشان‌دهنده‌ی گامی به سوی پردازش هماهنگ از راه دور است.
تله‌پورت داده در دنیای واقعی
تله‌پورت کوانتومی به‌دلیل توانایی خود در انتقال داده به روشی که فیزیک کلاسیک آن را غیرممکن می‌دانست، مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. در اواخر سال ۲۰۲۳، محققان موفق شدند تصویری را بدون جابه‌جایی فیزیکی، میان دو نقطه منتقل کنند.
اما مطالعه‌ی آکسفورد فراتر از این پیش رفت و نه‌تنها حالت‌ها یا تصاویر، بلکه دروازه‌های کوانتومی را تله‌پورت کرد. این آزمایش شامل ماژول‌هایی بود که از طریق ذرات نور (فوتون‌ها) به یکدیگر متصل شده بودند و این امکان را فراهم می‌کرد که دو انتهای سیستم، اطلاعات مورد نیاز برای اجرای عملیات را به اشتراک بگذارند.
در این آزمایش، سیستم موفق شد با دقت ۸۶٪ یک دروازه‌ی کنترل-Z را بین کیوبیت‌ها تله‌پورت کند. اما برای آنکه رایانه‌های کوانتومی به‌طور پایدار و روزمره قابل استفاده باشند، این دقت باید به بیش از ۹۹٪ برسد.
پیشرفت‌ها و گام‌های بعدی
اینترنت کوانتومی – شبکه‌ای امن که پردازنده‌های کوانتومی را به هم متصل می‌کند – به یکی از موضوعات داغ تحقیقات تبدیل شده است. در سال ۲۰۲۴، دانشمندان دانشگاه هاروارد نشان دادند که درهم‌تنیدگی کوانتومی، که باعث می‌شود ذرات حتی در فاصله‌های دور به هم متصل بمانند، می‌تواند میان نقاط مختلف به اشتراک گذاشته شود.
تیم آکسفورد این ایده را یک گام جلوتر برد و ثابت کرد که دو پردازنده‌ی مستقل، که هرکدام دارای کیوبیت‌های یون به دام افتاده هستند، می‌توانند مانند یک واحد یکپارچه عمل کنند. این پردازنده‌ها با استفاده از فوتون‌ها به یکدیگر متصل شدند و یک حالت کوانتومی مشترک را بین خود ایجاد کردند.
پروفسور دیوید لوکاس، محقق اصلی پروژه، می‌گوید:
“آزمایش ما نشان می‌دهد که پردازش اطلاعات کوانتومی از طریق شبکه‌های توزیع‌شده با فناوری فعلی امکان‌پذیر است. اما گسترش رایانه‌های کوانتومی همچنان یک چالش فنی عظیم است که احتمالاً نیاز به بینش‌های جدید فیزیکی و تلاش مهندسی گسترده در سال‌های آینده خواهد داشت.”
چالش اصلی مهندسان، کاهش نرخ خطا است. برای آنکه محاسبات کوانتومی بدون خطا و قابل‌اطمینان باشد، دقت بالا ضروری است، زیرا حتی یک اختلال کوچک می‌تواند محاسبات را مختل کند.
گام‌هایی به سوی ماشین‌های عملی
خطاهای کیوبیت‌ها معمولاً زمانی رخ می‌دهند که حالت‌های کوانتومی حساس آنها دچار فروپاشی شده یا تحت تأثیر نویز محیط قرار گیرند. ابزارهای تصحیح خطا می‌توانند برخی از این اشتباهات را اصلاح کنند، اما این ابزارها به کیوبیت‌های اضافی نیاز دارند که سخت‌افزار را سنگین‌تر می‌کنند.
تله‌پورت دروازه‌های کوانتومی ممکن است برخی از این مشکلات را کاهش دهد، زیرا به چندین ماژول اجازه می‌دهد که به‌طور اشتراکی وظایف را پردازش کنند. این تنظیم انعطاف‌پذیر می‌تواند به هر دستگاه اجازه دهد که بخش کوچکی از بار پردازشی را بر عهده بگیرد، درحالی‌که همچنان عملکردی در سطح یک سیستم عظیم را ارائه می‌دهد.
تیم‌های تحقیقاتی در سراسر جهان در حال رقابت برای بهبود این فناوری‌ها هستند. برخی از آنها قصد دارند این فناوری‌ها را با رایانه‌های کلاسیک ترکیب کنند تا یک روش ترکیبی ایجاد کنند که گذار از رایانه‌های امروزی به سکوهای کوانتومی آینده را تسهیل کند.
آینده‌ی محاسبات کوانتومی
دانشمندان امیدوارند که با توسعه‌ی بیشتر سخت‌افزار کوانتومی و بهینه‌سازی طراحی‌ها، چالش‌های نهایی را برطرف کنند. آزمایش‌های گسترده‌تر با الگوریتم‌های بزرگ‌تر باید نشان دهند که چگونه می‌توان نرخ موفقیت را به مرز ۹۹٪ رساند.
در آینده‌ای نه‌چندان دور، رایانه‌های کوانتومی کوچک‌تر ممکن است مانند قطعات یک پازل به هم متصل شوند و یک شبکه‌ی قوی را تشکیل دهند که با دستگاه‌های مستقل عظیم رقابت کند. چنین پیشرفتی می‌تواند روش پردازش داده‌ها را متحول کند و مسیر را برای ارتباطات امن و سرعت محاسباتی غیرقابل تصور هموار کند.
این مطالعه در مجله‌ی Nature منتشر شده است.
