اطلاعات کوانتومی/اصول کامپیوترهای کوانتومی/یون‌های منجمد شده

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
تشدید مغناطیسی هسته یون‌های منجمد شده روش‌های دیگر


تکنولوژی که کمتر از NMR در معرض عموم است، تعدادی دیگر را جذب کرده است. در ۱۹۹۵، ایگناسیو سیراک (Ignacio Cirac) و پیتر زولر(Peter Zoller) از دانشگاه اینسبراک در اطریش، طرح استفاده از یون رباها را برای ساخت گیت‌های منطقی کوانتومی دادند. تکنولوژی یون رباها هم اکنون در علم طیف بینی و برای بهبود استانداردهای زمانی و فرکانسی استفاده می‌شود، اما پیشرفت‌های بزرگی برای کاربرد در محاسبات کوانتومی نیاز دارد.

ایده این است که با استفاده از وسیله‌ای به نام تله فرکانسی- رادیویی پل، می‌توان تعدادی از یون‌های بسیار سرد شده را به دام انداخت و بی حرکت کرد. این وسیله یک میدان RF با فرکانس بالا ایجاد می‌کند که یون‌ها را بطور تنگاتنگ در دو بعد، و بطور ضعیفی در بعد سوم نگه می‌دارد. چون یون‌ها دارای بار یکسانی هستند، یکدیگر را دفع می‌کنند و تمایل دارند خود را در یک خط مستقیم، با فاصله‌های یکسان مانند مهره‌هایی روی یک زنجیر الاستیکی، قرار دهند. این وضعیت به آنها اجازه می‌دهد که بطور گروهی به صورتی نوسان کنند که برای محاسبات کوانتومی مهم است.

qubitها به صورت اولیه در حالت اسپین‌های داخلی یون‌ها متناسب با میدتن مغناطیسی زمینه ذخیره شده‌اند. آن‌ها بوسیله یک میدان مغناطیسی متناوب پالسی، که بیت‌ها را تغییر یا آن‌ها را در حالت superposition بالا یا پایین قرار می‌دهد، که بستگی به طول مدت آن دارد، روی یون‌ها نوشته می‌شوند. یکی از مزایای یون رباها این است که حالت superposition بسیار قوی است و حداقل به اندازه qubitها در روش NMR پایدار می‌ماند، که زمانی کافی برای انجام عملیات‌های منطقی مطلوب است.

برای تقسیم qubitها بین یون‌ها، دانشمندان به نوسان یون‌ها روی آوردند. هدف، سرد کردن یون‌ها است تا زمانی که آن‌ها بطور گروهی کاملاً بی حرکت شوند. این حالت پایه سیستم است. با تزریق مقدار کمی انرژی یون‌ها شروع به نوسان می‌کنند. اما بدلیل کوانتومی بودن، یون‌ها می‌توانند در حالت superposition پایه و نوسانی قرار گیرند، بنابراین نوسان می‌تواند برای ذخیره یک qubit بکار رود.

چون همه یون‌ها در نوسان شرکت می‌کنند، این qubit می‌تواند بین آن‌ها تقسیم شود. مثل این است که این حرکت گروهی نوعی گذرگاه داده است که به یون‌ها اجازه می‌دهد بطور موقت اطلاعات را به اشتراک گذارند و وابسته شوند. این اشتراک عملیات نوع IF…THEN، که قسمت اصلی گیت‌های منطقی کامپیوتر هستند، را می‌پذیرد. برای مثال یک ساختار ممکن است به این صورت باشد: اگر (IF) حالت نوسانی ۱ است، (THEN) qubit موجود در حالت اسپین داخلی اولین یون را تغییر بده. محققان در NIST (National Institute of Science and Technology) اعلام کرده‌اند که هم اکنون رشته‌ای از چهار یون می‌توانند وابسته شوند و گفته‌اند که تعداد بیشتر نیز باید ممکن باشد.

حداقل پنج گروه در دنیا در حال کار روی کامپیوترهای کوانتومی یون ربا هستند، اما تیم دیوید وینلند (David Wineland) در NIST به عنوان رهبر شناخته می‌شود. گروه او با استفاده از یک یون مفرد بلریم که تا حالت پایه نوسانی سرد شده، یک گیت منطقی دو qubitی ساخته‌اند. با استفاده از لیزری که روی یون‌ها متمرکز شده، گروه روی میدان مغناطیسی زمینه، میدان مغناطیسی دومی را قرار دادند که با مکان یون‌ها تغییر می‌کند.

نوسان یون باعث می‌شود که میدان مغناطیسی متغیری را تجربه کند، و وقتی که فرکانس نوسان با اختلاف انرژی بین دو حالت اسپین (اسپین خود یون و نوسان) برابر شود، انرژی از اسپین به حالت نوسانی منتقل می‌شود و اطلاعات کوانتومی را از حالت اسپین به حالت نوسانی منتقل می‌کند. این پایه گیت NOT کنترل شده است که در ۱۹۹۵، فقط چند ماه پس از اعلام سیراک و زولر درک شد. خواندن اطلاعات شامل پخش نور از یون‌ها می‌باشد، چون یون در حالت اسپین بالا می‌تواند نور قوی تری را پخش کند در حالیکه در حالت اسپین پایین به ندرت نور پخش می‌کند.

یون رباها نیز محدودیت‌هایی دارند. یکی زمان ناپایداری (decoherence) کمی است که qubitها پس از انتقال به «گذرگاه داده» نوسانی دارند. چون یون‌ها دارای بار هستند، نوسان‌ها بشدت تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی سرگردان که باعث ناپایداری می‌شوند، قرار می‌گیرند. با وجود این گروه اطمینان دارد که این مشکل با ایزوله کردن بهتر دام از محیط برطرف خواهد شد. یون رباها همچنین با مشکل مقیاس نیز مواجه هستند.

هرچه تعداد یون‌ها در دام بیشتر باشد، ریسک قرار گرفتن در حالت نوسانی غیرقابل کنترل و در نتیجه از بین رفتن محاسبات، بیشتر می‌شود. مرحله بعدی، ساختن دام‌های مجاور خواهد بود که هر کدام تعداد کمی یون را شامل می‌شوند، و فرستادن اطلاعات کوانتومی از یک دام به دام دیگر، بوسیله حرکت فیزیکی یون‌ها و یا با پدیده ویژه‌ای که مختص اطلاعات کوانتومی است و teleportation نامیده می‌شود.