الحوسبة الكمومية بالأيونات

الحوسبة الكمومية بالأيونات : من خلال التلاعب بالذرة الواحدة تلو الأخرى المعلقة في الفراغ ، يصنع الفيزيائيون العناصر الأولى لأجهزة الكمبيوتر المستقبلية فائقة القوة ، بناءً على قوانين فيزياء الكم.

على مدى العقود القليلة الماضية ، زادت سرعة وموثوقية أجهزة الكمبيوتر بشكل كبير. تركز المعالجات الدقيقة الحالية ما يقرب من مليار ترانزستور على بضعة سنتيمترات مربعة من السيليكون. في المستقبل ، ستكون المكونات أصغر حجمًا وسيقترب حجمها من حجم الجزيئات المفردة.

في هذا المقياس

هذا المقياس ، يمكن أن تصبح أجهزة الكمبيوتر مختلفة تمامًا عما نعرفه. في الواقع ، ستخضع عملياتهم لقوانين فيزياء الكم ، التي تشرح سلوك الذرات والجسيمات دون الذرية. ومع ذلك ، فإن الاستغلال الكامل للخصائص الكمومية سيكون بمثابة تقدم كبير: يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تؤدي مهامًا مهمة معينة بشكل أسرع بكثير مما تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام به.

أشهر هذه المهام هو بلا شك تحلل عدد صحيح كبير إلى حاصل ضرب عددين أوليين. تعد عملية ضرب عددين أوليين عملية بسيطة جدًا لأجهزة الكمبيوتر ، حتى لو كانت الأرقام المعنية تتكون من عدة مئات من الأرقام. لكن التخصيم ، أي العملية العكسية ، صعب للغاية لدرجة أنه أساس معظم خوارزميات التشفير المستخدمة اليوم ، من التجارة عبر الإنترنت إلى التجارة عبر الإنترنت ، ونقل أسرار الدولة.

إقرأ أيضا:علامات العلاقة الفاشلة

في عام 1994 ، أظهر بيتر شور ، الذي كان يعمل وقتها في مختبرات بيل بالولايات المتحدة ، أن الكمبيوتر الكمومي يمكنه من الناحية النظرية كسر رموز التشفير هذه بسهولة ، لأنه سيكون قادرًا على تحليل الأعداد الصحيحة بشكل أسرع من أي خوارزمية كلاسيكية معروفة. وفي عام 1997 ، أظهر لوف جروفر ، الموجود أيضًا في مختبرات بيل ، أن الكمبيوتر الكمومي يمكن أن يسرع بشكل كبير البحث في قاعدة بيانات غير مرتبة ، مثل البحث عن اسم في دفتر هاتف مع معرفة رقم الهاتف فقط وهاتف الشخص.

الحوسبة الكمومية بالأيونات : بتات الكم في التفاعل

ومع ذلك ، فإن بناء جهاز كمبيوتر كمي لن يكون سهلاً. يجب أن تلبي المواد الكمومية – الذرات أو الفوتونات أو البنى المجهرية الاصطناعية التي تخزن البيانات في بتات كمومية أو “كيوبت” – المطالب المتنافسة. من ناحية أخرى ، يجب عزل الكيوبتات بشكل كافٍ عن بيئتها ، وإلا ستؤدي التفاعلات الخارجية إلى تعطيل حساباتها. هذه العملية المدمرة ، التي تسمى فك الترابط ، هي لعنة أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولكن ، من ناحية أخرى ، من الضروري أيضًا أن تتفاعل الكيوبتات بقوة مع بعضها البعض ويمكن قياسها بدقة للوصول إلى نتيجة الحسابات.

يستكشف العلماء طرقًا مختلفة لبناء نماذج أولية مبكرة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يركز عملنا على معالجة المعلومات باستخدام أيونات موجبة مشحونة مرة واحدة ، أي الذرات التي تمت إزالتها من الإلكترون. في ظل الفراغ وباستخدام الحقول الكهربائية المناسبة ، حاصرنا سلاسل صغيرة من الأيونات حتى تتمكن من استقبال إشارات الإدخال من الليزر وتبادل البيانات مع بعضها البعض. هدفنا هو تطوير الأجهزة حيث يمكن زيادة عدد البتات حتى عدة مئات أو عدة آلاف. على هذا النطاق فقط يمكن لهذه الأنظمة أن تنجز مهامًا بعيدة عن متناول أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

إقرأ أيضا:معالجة الصور

محاصرة الأيونات

فيزياء الكم هي نظرية يمكن التعبير عنها غالبًا من حيث الموجات. مثلما تندمج الموجات الصوتية لنوري بيانو أو أكثر في وتر ، يمكن فرض حالات كمومية مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن للذرة “أن تكون” في وقت واحد في مكانين أو حالتين مختلفتين من الإثارة. ولكن عندما نقيس نظامًا تكون حالته الكمية عبارة عن تراكب ، فإن القياس يقلل فورًا الحالة الكمومية إلى أحد عناصر التراكب ، ويتم تحديد احتمال كل احتمال من خلال وزنه النسبي في التراكب (انظر المربع في الصفحة) 89).

تُستمد القوة الكامنة للحاسوب الكمومي من مثل هذه التراكبات: على عكس البتة التقليدية ، التي تأخذ إما القيمة 0 أو القيمة 1 ، يمكن أن تكون قيمة الكيوبت “تساوي” كل من 0 و 1. وبالمثل ، يمكن لنظام مكون من اثنين كيوبت أن يشمل أربعة القيم في وقت واحد: 00 و 01 و 10 و 11. بشكل عام ، يمكن للحاسوب الكمومي المكون من N كيوبت التعامل مع 2 ^{N من} الأرقام في وقت واحد ؛ يمكن أن تحتوي مجموعة من 300 ذرة فقط ، والتي ستخزن كل منها قطعة كمومية ، على قيم أكثر من عدد الجسيمات في الكون!

الحوسبة الكمومية بالأيونات : عادةً ما تكون هذه التراكبات الكمومية الكبيرة “متشابكة”

عادةً ما تكون هذه التراكبات الكمومية الكبيرة “متشابكة” ، مما يعني أن قياسات الكيوبتات الفردية ستكون مرتبطة ببعضها البعض. يمكننا أن نفكر في التشابك الكمي على أنه رابط غير مرئي بين الجسيمات التي ليس لها مثيل في الفيزياء الكلاسيكية ، وهو الرابط الذي أطلق عليه أينشتاين “العمل الشبحي عن بعد”.

إقرأ أيضا:اكتئاب الكبار

في تجارب الأيونات المحاصرة لدينا ، على سبيل المثال ، يتصرف كل أيون معلق بمساعدة المجالات الكهربائية مثل المغناطيس الصغير ؛ يمكن أن تتوافق حالات 0 و 1 للكيوبتات مع اتجاهين محتملين لكل مغناطيس ذري (على سبيل المثال ، لأعلى ولأسفل).

التبريد بالليزر (الذي يقلل من الطاقة الحركية للذرات عن طريق التسبب في امتصاص الفوتونات من شعاع الليزر ، والتي تعيد الذرات إصدارها في اتجاهات عشوائية) يعمل عمليا على شل حركة الأيونات الموجودة في المصيدة. نظرًا لوجود الأيونات في حجرة مفرغة ، يتم عزلها عن البيئة ، لكن التنافر الكهربائي بينها يوفر تفاعلًا مكثفًا يمكن أن يخلق تشابكًا. ويمكن توجيه أشعة الليزر الأرفع من الشعرة إلى أيون معين لمعالجة وقياس البيانات المخزنة في الكيوبتات.

في السنوات الأخيرة ، أجرى الفيزيائيون بعض التجارب التي توضح مبدأ الحوسبة الكمومية مع الأيونات المحاصرة. لقد أنتجوا حالات متشابكة تصل إلى ثمانية كيوبتات وأظهروا أن هذه الأجهزة البدائية يمكن أن تؤدي خوارزميات بسيطة.

مقياس التغيير

يبدو أنه من الممكن ، على الرغم من أنه يمثل تحديًا تقنيًا ،. توسيع هذا النهج الأيوني المحاصر إلى أعداد أكبر بكثير من الكيوبتات. مستوحى من المسار الذي تتبعه أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ،. سيشمل بشكل خاص سلسلة بوابات المنطق الكمي ، كل منها يتكون من عدد قليل من الأيونات المحاصرة. يمكننا تكييف تقنيات تصحيح الخطأ الكلاسيكية مع الكون الكمومي باستخدام عدة أيونات لتشفير كل كيوبت (يسمح الترميز الزائد للمعلومات للنظام بتحمل .الأخطاء ، طالما ظل معدلها منخفضًا بدرجة كافية). أخيرًا ، من المحتمل أن يتضمن الكمبيوتر الكمومي المحاصر الأيوني تخزين ومعالجة .ما لا يقل عن بضعة آلاف من الأيونات ، المحاصرين في مصفوفات معقدة من

الشرط الأول لتحقيق جهاز كمبيوتر كمي “عالمي” (أي قادر على أداء أي نوع من الحسابات) هو ذاكرة موثوقة. إذا وضعنا كيوبت في تراكب للحالتين 0 و 1 ، مع توجيه الاتجاه المغناطيسي للأيون لأعلى. ولأسفل في وقت واحد ، فسيتعين عليه البقاء في حالة التراكب هذه حتى تتم معالجة البيانات أو قياسها. لقد عرف الباحثون .منذ فترة طويلة أن الأيونات الموجودة في الفخاخ الكهرومغناطيسية تقوم بعمل سجلات ذاكرة جيدة جدًا ، مع أعمار متداخلة (أو “أوقات تماسك”) تتجاوز العشر دقائق. هذه الأعمار طويلة نسبيًا بفضل ضعف التفاعل بين أيون وبيئته.

الحوسبة الكمومية بالأيونات : العنصر الأساسي الثاني للحوسبة الكمومية هو القدرة على معالجة كل كيوبت على حدة

العنصر الأساسي الثاني للحوسبة الكمومية هو القدرة على معالجة كل كيوبت على حدة. إذا كانت الكيوبتات تتطابق مع الاتجاهات المغناطيسية للأيونات المحاصرة ، فمن الممكن استخدام المجالات. المغناطيسية المتذبذبة ، المطبقة لفترة زمنية محددة ، لتبديل كيوبت (اجعله ينتقل من 0 إلى 1 ، أو العكس) أو ضبطه في تراكب الدول. بالنظر إلى المسافات القصيرة التي تفصل بين الأيونات المحاصرة (بضعة ميكرومتر) ، من الصعب تحديد الحقول المتذبذبة على .أيون معين ؛ ومع ذلك ، سنحتاج غالبًا إلى تغيير اتجاه كيوبت دون تغيير اتجاه جيرانه. ومع ذلك ، يمكننا حل هذه المشكلة باستخدام أشعة الليزر التي نركز عليها على الكيوبت (الكيوبتات) المعينة التي تهمنا.

المطلب الأساسي الثالث هو إمكانية تصميم نوع واحد على الأقل من البوابة المنطقية بين الكيوبتات. يمكن لمثل هذا الجهاز أن يتخذ نفس شكل البوابات المنطقية الكلاسيكية (و و أو البوابات .، التي تشكل العناصر الأساسية للمعالجات الكلاسيكية) .، ولكن يجب أن تعمل أيضًا على تراكب الحالات ، وخصوصيات الكيوبتات. الخيار الشائع للبوابة المنطقية المكونة من 2 كيوبت هو بوابة cnot (من أجل عدم التحكم ، أي غير المنضبط). دعنا نسمي A و B مدخلات اثنين من الكيوبتات. A هو بت التحكم. إذا كانت قيمة A تساوي 0 ، فإن البوابة cnot تترك B دون تغيير ؛ إذا كانت A تساوي 1 ، فإن الباب يبدل B ،. مما يجعله ينتقل من 0 إلى 1 ، والعكس صحيح (انظر الإطار في الصفحة 89). يحمل هذا العنصر أيضًا اسم بوابة المنطق الشرطي ، لأن عملها على كيوبت

لتحقيق بوابة منطقية شرطية بين اثنين من الكيوبتات المكونة من الأيونات

لتحقيق بوابة منطقية شرطية بين اثنين من الكيوبتات المكونة من الأيونات ، يجب اقترانهما ؛ بعبارة أخرى ، عليهم التواصل. يتم شحن كل من الكيوبتات الموجبة ، وتقترن حركتهما بقوة من خلال تنافر كولوم ،. أي التنافر الكهروستاتيكي بين شحنتين كهربائيتين من نفس العلامة. في عام 1995 ، في جامعة إنسبروك بالنمسا ، اقترح خوان إجناسيو سيراك .وبيتر زولر طريقة لاستخدام تفاعل كولوم هذا للربط غير المباشر للحالات الداخلية (اتجاه المغناطيس الذري) لاثنين من الكيوبتات .الأيونية وبالتالي تحقيق باب cnot. دعونا نشرح المبدأ بإيجاز من خلال النظر في البديل لأبوابهم.

الحوسبة الكمومية بالأيونات : افترض أن الكرات مشحونة وتتنافر

بادئ ذي بدء ، تخيل كرتين من الرخام في وعاء. افترض أن الكرات مشحونة وتتنافر. تميل الكرتان إلى وضعهما في قاع الوعاء ، لكن تنافر كولوم يفرضهما على وضع الراحة أعلى بقليل من قاع الوعاء .ويتعارض تمامًا. في هذه الحالة ، تميل الكرات إلى التحرك معًا: يمكنها ، على سبيل المثال ، أن تتأرجح في الوعاء على طول الاتجاه الذي .تحدده ، مع الحفاظ على مسافة الفصل. زوج من الكيوبتات في مصيدة الأيونات سيختبر أيضًا حركة المفصل ذهابًا وإيابًا ، مثل كتلتين بندولتين متصلتين بزنبرك. يمكن تحفيز حركة المفصل عن طريق الضغط الإشعاعي الذي يمارسه شعاع ليزر مُعدَّل على تردد التذبذب الطبيعي للمصيدة (انظر

والأهم من ذلك ، يمكننا ترتيب شعاع الليزر لدفع الأيونات فقط إذا كان اتجاهه .المغناطيسي لأعلى ، والذي يتوافق هنا مع قيمة 1 من كيوبت ؛ وعلاوة على ذلك ، فإنه يقوم بتدو.ير اتجاه هذه المغناطيسات الذرية .، بينما تتأرجح الأيونات في الفضاء ، مع دوران مختلف اعتمادًا على ما إذا كان أيون واحد أو كلاهما في الحالة 1.