شمارش فوتون‌ها برای محاسبات کوانتومی

خلاصه: یکی از بسترهای مناسب برای پیاده‌سازی محاسبات کوانتومی، سیستم‌های فوتونیکی هستند. چالشی که در این بخش وجود دارد، شمارش فوتون‌ها با دقت بالاست. در این خبر، راجع به آشکارسازی صحبت شده است که می‌تواند 100 فوتون را با دقت بالا تفکیک کند. این آشکارساز همچنین می‌تواند در زمینه تولید اعداد تصادفی کوانتومی هم کاربرد داشته باشد.

کارشناسان فیزیک هسته‌ای و اطلاعات کوانتومی، یک سیستم شمارش تعداد فوتون برای تفکیک دقیق بیش از 100 فوتون ساخته‌اند. این شاهکار یک گام بزرگ برای توسعه محاسبات کوانتومی است. چنین وسیله‌ای می‌تواند در تولید اعداد تصادفی کوانتومی هم مفید باشد، اعداد تصادفی مدت‌هاست در توسعه روش‌های رمزنگاری که در ارتباطات نظامی و تراکنش‌های مالی کاربرد دارد، بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. این آشکارساز اخیراً در Nature Photonics گزارش شده است.

فیزیکدانان در سراسر جهان به شدت به دنبال محاسبات کوانتومی قابل اعتماد و مقاوم هستند. استفاده از محاسبات کوانتومی نه تنها جهشی عظیم برای علم را به همراه خواهد داشت، بلکه باعث ارتقای اقتصاد و امنیت ملی نیز می‌شود. اما رسیدن به این نقطه برای بهترین مغزهای این سیاره هم میسر نشده است.

شکل 1: چیدمان آزمایشگاهی. یک پالس لیزر به سه بخش مساوی تقسیم و هر بخش به کانال یک آشکارساز حسگر لبه‌گذار جفت می‌شود.

مهندسین در مرکز شتاب‌دهنده ملی توماس جفرسون در وزارت انرژی ایالات متحده، قطعه‌ای حیاتی از یک آشکارساز فوتونی را طراحی کرده‌اند که فیزیکدانان را یک گام به محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتونیک عملیاتی نزدیک کرده است – یعنی یک کامپیوتر کوانتومی که کاملاً با نور ساخته شده است. این مهندسان بخشی از یک تیم بین رشته‌ای از محققان فدرال و دانشگاهی به رهبری آزمایشگاه جفرسون هستند که بر روی پیشبرد محاسبات کوانتومی در فیزیک هسته‌ای کار می‌کنند.

راه‌های مختلفی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کارآمد وجود دارد. برای محاسبات مبتنی بر فوتونیک، آشکارسازی کوانتومی ذرات نور یا فوتون‌ها ضروری است. در حال حاضر، آشکارسازها می‌توانند تا حدود 10 فوتون را شناسایی کنند، اما این تعداد برای بسیاری از روش‌های تولید حالت کوانتومی بسیار کم است. هنوز هیچکس تشخیص بیش از 16 فوتون را گزارش نکرده است، اما شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که محاسبات کوانتومی به شناسایی تعداد زیادی فوتون (50 یا بیشتر) نیاز دارد.

عمرحسام‌الدین (به انگلیسی: Amr Hossameldin)، عضو تیم و دستیار پژوهشی فارغ التحصیل در محاسبات کوانتومی و اپتیک کوانتومی در دانشگاه ویرجینیا، توضیح داد که عبور از آستانه 50 فوتون به معنای توانایی پیاده‌سازی یک “گیت درجه سوم” (به انگلیسی: cubic gate) است که نقطه عطفی در راستای ساخت یک مجموعه گیت کامل برای محاسبات کوانتومی جهان‌شمول است.

این تیم رکورد 16 فوتون را پشت سر گذاشت و شمارش تعداد حدود 35 فوتون به ازای یک آشکارساز را نشان داد و با یک سیستم سه آشکارسازی به شمارش 100 فوتون دست پیدا کرد.

رابرت ادواردز (به انگلیسی: Robert Edwards )، دانشمند ارشد و معاون مدیر بخش فیزیک نظری و محاسباتی در آزمایشگاه جفرسون، می‌گوید: “با این دقت، می‌توان 100 فوتون از مجموعه فوتون‌هایی که به آشکارسازها برخورد کرده‌اند را شمرد. این دقت بسیار بالاست و قبلاً چنین دقتی به دست نیامده است.” او ادامه داد: “نبود آشکارساز یک محدودیت عمده برای این رویکرد محاسبات کوانتومی بوده است. وضوح جدید در شمارش تعداد فوتون، گامی ضروری برای پیاده‌سازی یک مجموعه دستورالعمل جهانی است.”

سیستم آشکارسازی جدید، یک مزیت ارزشمند دیگر نیز دارد: تولید اعداد تصادفی کوانتومی حقیقی – یک بخش مهم برای کدهای مخفی یا رمزنگاری‌های غیرقابل شکست در شاخه‌هایی مانند ارتباطات نظامی و تراکنش‌های مالی. اعداد تصادفی تولید شده توسط الگوریتم‌های کامپیوتری کلاسیک واقعا تصادفی نیستند. با انجام یک بازی اعداد و اندکی تلاش می‌توان الگوریتمی که این اعداد را تولید می‌کند، به چالش کشید – برای این کار کافی است به دنبال اعدادی بگردیم که بیشتر از بقیه ظاهر می‌شوند. تولید اعداد تصادفی واقعی با استفاده از فیزیک کوانتومی چنین نقص یا سوگیری ندارد.

اولیویه فایستر (به انگلیسی: Olivier Pfister)، استاد فیزیک در UVa که در میدان‌های کوانتومی و اطلاعات کوانتومی متخصص است و به عنوان رهبر خارجی تیم در این پروژه کار می‌کند، توضیح می‌دهد: “در مکانیک کوانتومی یک خاصیت تصادفی ذاتی وجود دارد، به این ترتیب که می‌توانید یک سیستم فیزیکی داشته باشید که همزمان در دو حالت قرار دارد و وقتی می خواهید بدانید در کدام حالت است، خروجی تصادفی است. انیشتین با این موضوع کنارنیامد و اعتقاد داشت خدا با دنیا تاس بازی می‌کند و ما بهتر از اینشتین نمی دانیم.”

سیگنال هایی که قبلا دیده نشده بود

انگیزه اصلی این تیم بودجه‌ای بود که در سال 2019 توسط دفتر علوم DOE اعلام شد که به اطلاعات کوانتومی برای فیزیک هسته‌ای تحت برنامه افق کوانتومی (به انگلیسی: Quantum Horizons) تعلق می‌گرفت. ادواردز کمک مالی کوچکی دریافت کرد تا یک سری سخنرانی ترتیب دهد تا متخصصان را به فعالیت در زمینه محاسبات کوانتومی ترغیب کند. فایستر اولین سخنران در مارس 2020 بود. یک هفته بعد، بیماری همه گیر COVID-19 آزمایشگاه را تعطیل کرد، اما بذر تحقیقات مشترک در زمینه محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتونیک کاشته شد. یک تیم بزرگ از فیزیکدانان، مهندسان و محققان پسادکترا جمع آوری شد. این همکاری با هدف استفاده از فوتونیک کوانتومی برای محاسبات مربوط به برنامه علمی آزمایشگاه جفرسون آغاز شد.

UVa  قبلاً یک سیستم مبتنی بر فوتون برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده از لیزر پالسی داشت، اما فاقد ابزاری برای آشکارسازی تعداد فوتون‌ها با سرعت و دقت زیاد بود. در همین حال، آشکارسازی ذرات با سرعت و دقت، نقطه قوت آزمایشگاه جفرسون است. تأسیسات شتاب‌دهنده پرتو الکترونی پیوسته آن، برای دهه‌ها در آزمایش‌هایی استفاده شده است که نیاز به آشکارسازهای فوق‌حساس برای اندازه‌گیری آبشار ذرات زیراتمی دارند که هنگام برخورد پرتو ذرات به اهداف مشخص با سرعت نور ایجاد می‌شوند. این مرکز یکی از بخش‌های دفتر علوم DOE است که بیش از 1850 فیزیکدان هسته ای برای تحقیقات خود به آن دسترسی دارند.

در یک آزمایش تیمی در آزمایشگاه اپتیک کوانتومی فایستر در UVa، حسام‌الدین سه دستگاه حسگر لبه گذار ابررسانا(به انگلیسی: transition-edge sensor (TES)) را به هم متصل کرد تا یک آشکارساز بسازد. هر دستگاه TES  قادر به دیدن 35 فوتون بود. حسام‌الدین آن‌ها را در مقابل لیزر قرار داد و لیزر را روشن کرد.

قطعه الکترونیکی کلیدی این آشکارساز یک دیجیتایزر سرعت بالا بود که توسط دونگ (به انگلیسی:Dong) در آزمایشگاه جفرسون طراحی و ساخته شد. کوواس(به انگلیسی:Cuevas)  می‌گوید: “دیجیتایزرهای اصلی TES قابلیت‌های پرسرعتی که در طراحی ما گنجانده شده است، را نداشتند. دیجیتایزر ما دقت 12 بیتی با زمان نمونه‌برداری 4 نانوثانیه دارد، که به ما این امکان را می‌دهد سیگنال‌هایی را از TES بگیریم که قبلا دیده نشده بودند.”

تحقیقات در زمینه محاسبات کوانتومی با سرعتی تصاعدی در حال پیشرفت است و کوواس پیش‌بینی می‌کند که فناوری جدیدی به زودی جایگزین سیستم آن‌ها خواهد شد. اما همکاری‌های بیشتر برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر نور همچنان ادامه دارد.

کوواس اضافه کرد: “این پروژه نمونه بسیار خوبی است که در آن یک طراحی دوباره مورد استفاده قرار بگیرد و کاربردهای جدیدی برای آن تعریف می‌شود. به اشتراک‌گذاری فناوری، پایه اصلی جوامع علمی است و به عنوان مهندسان الکترونیک، دانستن اینکه طرح‌های ما می‌تواند اکتشافات مهم بیشتری را انجام دهد، هیجان‌انگیز است.”