اطلاعات کوانتومی/اصول کامپیوترهای کوانتومی/تشدید مغناطیسی هسته

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
الگوریتم‌ها و تصحیح خطا تشدید مغناطیسی هسته یون‌های منجمد شده


اولین مانع بزرگی را که دانشمندان در ساختن کامپیوترهای کوانتومی واقعی پشت سر گذاشتند در اواسط دهه بود، هنگامی که کشف کردند که چگونه محاسبات را با استفاده از تکنیک‌های تشدید مغناطیسی هسته (Nuclear Magnetic Resonance) انجام دهند. ایده کلیدی این بود که یک مولکول می‌تواند مانند یک کامپیوتر کوچک عمل کند. اطلاعات در مولکول در جهت اسپین‌های هسته ذخیره می‌شوند، هر هسته یک qubit را شامل می‌شود. واکنش بین اسپین‌های هسته که به اتصال اسپین- اسپین معروف است، در انجام عملیات‌های منطفی بکار می‌آید. در یک میدان مغناطیسی قوی، ذرات در جهت میدان مغناطیسی و در فرکانس‌هایی که بستگی به محیط شیمیایی آن‌ها دارد، تغییر محور می‌دهند.

برای مثال، در یک میدان ۳/۹ تسلایی، هسته کربن-۱۳ در مولکول کلروفرم در فرکانس حدود MHz100 تغییر محور می‌دهد. با انرژی دادن به مولکول بوسیله امواج رادیویی که به این فرکانس‌های تشدید تنظیم شده‌اند، این امکان وجود دارد که هر هسته را به تنهایی تحت کنترل درآورد تا عملیات‌های منطقی را انجام دهد. این تحت کنترل درآوردن ممکن است شامل تغییر هسته از ۱ به ۰ باشد، به اصطلاح یک عملیات یک qubitی (one-qubit operation) یا چرخش یک بیتی (single-bit rotation)، ویا ممکن است شامل دو ذره متصل به هم در یک عملیات دو qubitی باشد که در آن مقذار هسته به صورتی تغییر می‌کند که بستگی به مقدار دیگری دارد.

کلروفرمی که از ایزوتوپ کربن-۱۳ ساخته شده یک مثال خوب برای مولکولی است که می‌تواند مثل یک کامپیوتر کوانتومی در qubitی عمل کند، چون ذرات هیدروژن و کربن-۱۳ آن می‌توانند مفردا به وسیله امواج رادیویی آدرس دهی شوند. سپس یک عملیات کوانتومی بوسیله کد کردن یک برنامه (یکسری عملیات‌های یک و دو qubitی) به صورت یک سری پالس‌های RF (Radio Frequency pulses)، انجام می‌شود. سپس نتیجه با توجه به سیگنال القایی مغناطیسی تولید شده توسط تغییر محور ذرات در پایان محاسبه، خوانده می‌شود. این سیگنال جهت اسپین هسته را نشان می‌دهد.

NMR مانند یک راه حل رویایی برای یک مشکل دشوار به نظر می‌رسد. ذرات بطور طبیعی از نویزهایی خارجی ایزوله هستند، بنابراین می‌توانند پایداری (coherence) خود را برای چندین ثانیه حفظ کنند، که زمانی است کافی برای انجام صدها عملیات منطقی. بعلاوه NMR یک تکنولوژی جا افتاده است که سال‌ها برای تصویر برداری و تجزیه‌های شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته است.

اما این تکنیک دارای چند محدودیت مهم می‌باشد. یک مولکول، سیگنالی به مقدار کافی قوی که قابل مشاهده باشد را تولید نمی‌کند. بجای آن، NMR باید شامل تعداد زیادی مولکول (از مرتبه ۱۰۲۳) باشد تا سیگنال القایی مغناطیسی ترکیب شده، به مقدار کافی بزرگ باشد که مشاهده شود. (این مولکول‌ها معمولاً در یک حلال پخش می‌شوند، بنابراین اولین کامپیوترهای کوانتومی ماهیتی به صورت مایع دارند)

برای شروع یک محاسبه، حالت اولیه کامپیوتر باید معلوم باشد. اما در یک ماده در دمای اتاق، حالت‌های اسپین بالا و اسپین پایین تقریباً بطور مساوی و تصادفی توزیع شده‌اند. به عبارت دیگر، حالت هر یک از کامپیوترها در محلول معلوم نیست، پس انجام دادن هرگونه محاسبات بعدی بی‌معنی است. اما هیچ ناامید نشوید. در سال ۱۹۹۷، دو گروه مستقلاً به داد محاسبات کوانتومی رسیدند. ایساک چانگ (Issac Chung) در آزمایشگاه المادن IBM، و نیل گرشنفلد (Neil Gershenfeld) درMIT، فهمیدند که آن‌ها می‌توانند در هسته بعضی مولکول‌ها با توجه به میدان مغناطیسی، جهت گیری‌های طبیعی کوچکی را تغییر دهند بطوریکه اسپین آن‌ها بیشتر به سمت بالا باشد تا به سمت پایین، و از این برای ساختن یک حالت پایه مصنوعی (مثلا ۰۰ برای یک سیستم دو qubitی) استفاده کنند که از آن محاسبات را شروع کنند. در همان زمان، دیوید کوری (David Cory) در MIT، و امر فهمی (Amr Fahmy) و تیموتی هاول (Timothy Hovel) هر دو از دانشگاه هاروارد، کشف کردند که با بمباران کردن نمونه بوسیله امواج رادیویی، می‌توانند بطور مؤثری سیگنال را ازپارازیت همه سیگنال‌ها بجز سیگنال پایه محافظت کنند.

برای انجام محاسبات مفید، کامپیوتر باید قادر به انجام هر نوع عملیات منطقی باشد. برای کامپیوترهای کوانتومی دو عملیات منطقی وجود دارد که بقیه عملیات‌ها می‌توانند از آن دو مشتق شوند، تقریباً مانند گیت‌های AND و NOT در محاسبات کلاسیک. یکی شامل تغییر یک qubit تنهاست و دیگری بنام «عملیات NOT کنترل شده»، که روی دو qubit انجام می‌شود، و در آن تغییر کردن یا نکردن یک qubit بستگی به حالت qubit دیگری دارد که به آن جفت شده است. هر دو این عملیات‌ها ساده هستند: به سادگی نمونه مایع را توسط یک سری پالس‌های رادیویی مناسب بمباران می‌کنند. از سال ۱۹۹۷ این دو گروه و بقیه، خصوصاً در لوس الموس و دانشگاه آکسفورد، کامپیوترهای کوانتومی NMR مایعی با حداکثر 7 qubit برای انجام الگوریتم‌های ساده ساخته‌اند.

متاسفانه، کامپیوترهای کوانتومی که بر اساس NMR مایع هستند، قوی تر از این نخواهند شد. سیگنال‌های خوانده شده‌ای که آن‌ها تولید می‌کنند به صورت نمایی با تعداد qubitهای درگیر در محاسبه کاهش می‌یابد، چون نسبت تعداد مولکول‌هایی که در حالت پایه مناسب قرار دارند، کاهش می‌یابد؛ بنابراین دانشمندان انتظار ندارند که بتوانند بیش از دو جین qubit را قبل از اینکه سیگنال از زمینه غیرقابل تشخیص شود، کنترل کنند. تلاش برای ساختن ماشین‌هایی که بتوانند بیش از 10 qubit را کنترل کنند، ادامه دارد، اما اگر محاسبات کوانتومی بخواهد در ابعاد بزرگتری ممکن شود، روش‌های دیگری مورد نیاز است.