المصدر: Nature Communications
الفكرة الأساسية
طوّر باحثين من مدرسة بريتزكر للهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو (University of Chicago's Pritzker School of Molecular Engineering) نهجًا جديدًا يجمع بين الأجهزة الضوئية ومصفوفات الذرات المحتجزة*. يمهد هذا التقدم الطريق لإنشاء أنظمة كمومية* كبيرة وقابلة للتوسع، مما يوفر إمكانيات هائلة في الحوسبة الكمومية والشبكات والمحاكاة.
تفاصيل القصة
توفر أنظمة المعلومات الكمومية قدرات حوسبية أقوى وأسرع لمواجهة بعض أصعب المشكلات في العالم مقارنة بالحواسيب التقليدية. ومع ذلك، للاستفادة الكاملة من هذا الإمكان، يحتاج العلماء إلى تطوير حواسيب كمومية أكبر وأكثر ارتباطًا. يتطلب تحقيق ذلك التغلب على تحديات كبيرة في ربط أنظمة كمومية* متعددة وتوسيع نطاقها بشكل فعال.
يقول هانس بيرنيين، الأستاذ المساعد والمؤلف الرئيسي للدراسة: "لقد دمجنا تقنيتين لم يكن لهما في الماضي علاقة كبيرة. ليس من المثير فقط أن نرى كيف يمكننا توسيع الأنظمة الكمومية* بهذه الطريقة، ولكن لها أيضًا العديد من التطبيقات العملية".
أصبح بناء المعالجات الكمومية بمصفوفات من الذرات المحايدة المحتجزة* في ملاقط بصرية وأشعة ليزر مركّزة أمرًا شائعًا بشكل متزايد. يمكن لهذه المصفوفات الاحتفاظ بالذرات في مكانها وتمكين العمليات الكمومية المعقدة بآلاف الكيوبتات.
ومع ذلك، فإن دمج الأجهزة الضوئية لجمع البيانات على شكل فوتونات يمكن أن يعطل بسهولة هذه الحالات الكمومية الحساسة، مما يشكل تحديًا للحفاظ على سلامة المعلومات الكمومية.
يقول شانكار مينون، المؤلف الأول المشارك وطالب الدراسات العليا: "كان توصيل مصفوفات الذرات بالأجهزة الضوئية أمرًا صعبًا للغاية بسبب الفروق الأساسية بين التقنيات. تعتمد تقنية مصفوفات الذرات على الليزر لتوليدها و للحوسبة. بمجرد تعرض النظام لشريحة شبه موصلة أو شريحة ضوئية، ينتشر الليزر مما يسبب مشاكل في احتجاز الذرات واكتشافها والحوسبة".
تغلب فريق بيرنيين على هذه التحديات بتطوير تصميم شريحة شبه مفتوحة تسمح لمصفوفات الذرات بالتفاعل بسلاسة مع الدوائر الضوئية*. يدعم هذا النظام المبتكر الحسابات الكمومية في منطقة حسابية مخصصة. بعد إتمام الحسابات، يتم نقل جزء من الذرات الذي يحتوي على البيانات الضرورية إلى منطقة اتصال، حيث يندمج مع الشريحة الضوئية.
يقول نوح غلاشمان، المؤلف الأول المشارك وطالب الدراسات العليا: "لدينا منطقتان منفصلتان يمكن للذرات التحرك بينهما، إحداهما بعيدًا عن الشريحة الضوئية للحساب والأخرى بالقرب من الشريحة الضوئية لربط مصفوفات الذرات المتعددة. تم تصميم هذه الشريحة لتقليل التفاعل مع المنطقة الحسابية لمصفوفة الذرات".
يتفاعل الكيوبت مع جهاز ضوئي صغير في منطقة الاتصال لاستخراج الفوتونات. يمكن بعد ذلك نقل هذه الفوتونات عبر الألياف الضوئية إلى أنظمة أخرى. يشير هذا الإعداد إلى أن ربط مصفوفات ذرات متعددة يمكن أن يتيح إنشاء منصة حوسبة كمومية* أكبر مما يمكن أن تحققه مصفوفة واحدة وحدها.
بالإضافة إلى ذلك، تسمح الطريقة الجديدة بربط تجاويف نانوية ضوئية* متعددة بمصفوفة ذرات واحدة في وقت واحد، مما يمكن أن يعزز بشكل كبير سرعة الحسابات.
يقول مينون: "يمكننا أن نحصل على مئات من هذه التجاويف* في وقت واحد، ويمكنها جميعًا نقل المعلومات الكمومية في نفس الوقت. يؤدي ذلك إلى زيادة كبيرة في سرعة نقل المعلومات بين الوحدات المتصلة".
على الرغم من أن الباحثين أثبتوا بنجاح القدرة على احتجاز ونقل الذرات عبر مناطق مختلفة، فإنهم يخططون لإجراء تحقيقات متابعة. ستركز هذه الدراسات المستقبلية على مراحل إضافية من العملية، بما في ذلك جمع الفوتونات من التجاويف النانوية الضوئية* واستكشاف كيفية إنشاء التشابك* على مسافات طويلة.
المصطلحات الأساسية(*)
