بوزون‌ها حساب‌وکتاب می‌کنند !

[∆ MeRzaD ∆]

به بهره‌برداری نرسیدن رایانه‌های کوانتومی برای دهه‌ها، چند گروه از فیزیک‌دان‌ها در سرتاسرجهان را بر آن داشت تا در جست‌وجوی راهی برای به‌کار بستن توان پردازشی این دست‌‌گاه‌های کوانتومی برآیند؛ و یک ابزار فوتونیکی تقریبا ساده ساخته‌‌شد که یک محاسبه‌ی خاص را که انجام‌َش برای رایانه‌های کلاسیکی بسی دشوار و به گفته‌ی آن‌ها شناسه‌ی سرعت ذاتی ابزارهای کوانتومی‌ست، انجام دهد. با این دست‌گاه، نمونه‌گیری بوزونی انجام و خواص ذاتی این گروه از ذرات به کار بسته می‌شود. این گروه‌ها در آزمایش‌گاه کار کرده و به سازگاری خوبی با نظریه رسیده‌اند.

چهارفوتون که در دست‌گاه نمونه‌گیری بوزونی به کار بسته شده‌اند

رایانه‌های کوانتومی بیت‌های کوانتومی –یا کوبیت‌ها- را که هم‌زمان می‌توانند در دو حالت باشند، پردازش می‌کنند. علی‌الاصول، این می‌تواند به افزایشی نمایی در سرعت پردازش یک رایانه‌ی کوانتومی در مقایسه‌ با رایانه‌‌های کلاسیکی بیانجامد. با پردازش کوانتومی‌ می‌توان عددهای بزرگ را به عوامل‌شان تجزیه‌ کرده و در نتیجه رمزهایی را که با رایانه‌های معمولی عملا دست‌نایافتنی‌اند، شکست؛ و هزار کار دیگر کرد. به‌هرروی، دشواری‌های فنی بسیاری در راه پیش‌برد رایانه‌های کوانتومی نشسته بود و دست آخر تنها توانستیم عددهایی مانند ۱۵ و ۲۱ را تجزیه کنیم.

برخی فیزیک‌پیشه‌گان باور دارند که یک محاسبه‌گر ِ کوانتومی ِ میانی به نام دست‌گاه ِ «نمونه‌گیری بوزونی» می‌تواند میان‌بری برای دست‌یابی به سرعت‌های بالاتر در محاسبه‌های کوانتومی باشد. این قطعه نوعی رایانه‌ی کوانتومی نخواهدبود و تنها یک کار می‌کند. این ابزار شبکه‌ای از قطبنده‌هاست که مجموعه‌ای فوتون‌ را که به شماری از پایانه‌های ورودی موازی وارد می‌شوند، تبدیل به مجموعه‌ای دیگر می‌کند که شماری از پایانه‌های خروجی را ترک خواهندکرد؛ و احتمال آن را که یک ترکیب‌بندی از ورودی‌ها به یک خروجی بیانجامد، به دست می‌آورد.

 ویژگی‌های بوزون‌ها

در ۲۰۱۱ اسکات آرونسان و آلکس آرخیبوف از Massachusetts Institute of Technology نشان دادند، محاسبه‌ی این احتمال با یک رایانه‌ی کلاسیکی به شکل فزاینده‌ای دشوارتر خواهدبود چراکه شمار فوتون‌های ورودی و تعداد پایانه‌های ورودی و خروجی افزایش می‌یابد. فوتون‌ها متعلق به گروهی از ذرات بنیادی به نام بوزون‌ها هستند و هر تعداد از آن‌ها می‌توانند در یک حالت باشند؛ دشواریِ گفته‌شده از رفتار غیرعادی فوتون‌ها می‌آید. وقتی دو فوتون هم‌زمان به یک قطبنده می‌رسند، پس از آن راه یک‌سانی را می‌روند –هردو یا به راست می‌روند یا به چپ- و همین رفتار است که مدل کردنَش با فیزیک کلاسیک بسیار دشوار می‌باشد. پژوهش‌گران MIT دریافته‌اند که پیش‌بینی خروجی دست‌گاه درواقع نیازمند محاسبه‌ی مجموعه‌ای از «پرمننت‌ها» ست –تک‌عددهایی که مانند دترمینان برای یک ماتریس حساب می‌شوند اما با گرفتاری بسیار بیش‌تری.

یان والمزلی از دانش‌گاه Oxford  در بریتانیا می‌گوید: « حتی به‌ترین رایانه‌های رومیزی هم برای کار با این ثابت‌ها باید با بیش از ۳۰ فوتون درگیر باشند»... «اما دست‌‌گاه نمونه‌گیری بوزونی دست‌گاهی کمکی‌ست که ویژه‌گی‌های فیزیکی خود بوزون‌ها را برای یافتن پاسخ به کار می‌بندد.»

اکنون چهار گروه مستقل از پژوهش‌گران با یافته‌های آزمایش‌گاهی‌شان، کارهای نظری آرونسون را پشتیبانی می‌کنند. یکی از این گروه‌ها به دست والمزلی ره‌بری می‌شود و پژوهش‌گرانی از دانش‌گاه‌های Oxford  وSouthampton  را با خود دارد. دیگری گروهی امریکایی-استرالیایی‌ست که اندرو وایت از دانش‌گاه Queensland  آن را رهبری می‌کند و آرونسون با آن هم‌کاری می‌کند. هردوی این گروه‌ها یافته‌های خود را در Science چاپ کرده‌اند؛ و این در حالی‌ست که دو گروه دیگر –اتریشی-آلمانی و ایتالیایی-برزیلی- یافته‌هایشان را در نسخه‌ی پیش‌چاپ arXiv آورده‌اند. تمامی گروه‌ها در آزمایش‌هایشان ترکیب‌بندی مشابهی با تراشه‌های ویژه‌ی نوری یا ابزار فوتونیکی تجاری با پنج یا شش ورودی و خروجی را، به کار بسته‌اند.

فوتون‌های تزریقی

در این آزمایش‌ها تا سه، و یا در مورد گروه Oxford ، چهار فوتون به درون یک ‌ورودی‌ تزریق، و سپس آن خروجی را که فوتون‌ها از آن گسیل می‌شدند، یادداشت می‌کردند. با تکرار این فرآیند، پژوهش‌گران می‌توانستند دریابند که در چه کسری از زمان‌، ترکیب‌بندی‌های خروجی‌ خاصی ظاهر می‌شوند؛ و درنتیجه احتمال رخ‌دادن این ترکیب‌بندی‌ها را بیابند.

این گروه‌ها در مقایسه‌ی یافته‌هایشان با احتمال‌های محاسبه‌شده از ثابت‌های ماتریسی، دریافته‌اند که اگر نظریه‌ خطاهای آزمایش‌گاهی مانند غیرقابل‌تشخیص‌بودن و ورود دوتایی به جای ورود تکی، را در نیز در بر بگیرد، با آزمایش در سازگاری بالایی خواهد بود. زمان محدودی که در آن داده‌ها جمع‌آوری شده‌اند نیز بر یافته‌ها تاثیر گذاشته‌اند.
والمزلی می‌گوید: «مهم این است که دست‌گاه نمونه‌گیری بوزونی ساخته‌ایم که کار می‌کند و خطاهایش کشنده نیستند.»

راهی که باید در پیش بگیریم

از نگاه والمزلی با توجه به توان‌مندی در به حساب آوردن این خطاها، این ابزارها می‌توانند تا بدان‌جا روند که از رایانه‌های کلاسیکی پیشی بگیرند. او توضیح می‌دهد که هدف این است که این فن‌آوری برای پردازش تقریبا ۳۰ فوتون که حد رایانه‌های کلاسیکی امروزی به حساب می‌آید، و سپس تا ۱۰۰ فوتون که جای‌گاه اصلی نمونه‌گیرهای بوزونی است، ارتقاء بیابد. او می‌گوید: «برای انجام این کار نیاز داریم مطمئن شویم که فوتون‌ها همگی مشابه‌اند، همگی در یک زمان به قطبنده می‌رسند، و این‌که راندمان آشکارساز این امکان را می‌دهد که از نمونه‌ها به اندازه‌ی کافی داده‌ جمع‌کنید.» ... «دشواری‌های فراوانی در راه غلبه بر تمام این‌ها وجود دارد و این یعنی کاری بسیار زیاد، اما فکر می‌کنم راهی که باید در پیش بگیریم روشن است.»


وایت موافق است. او می‌گوید: «فکر می‌کنم در یک دهه می‌توانیم بدان‌جا برسیم.»

در واقع، والمزلی باور دارد که دست‌گاه‌های نمونه‌گیری بوزونی تنها دست‌گاهی آزمایشی برای رایانه‌های کوانتومی نبوده و می‌توان در محاسبه‌ی الگوریتم‌های مفید دیگری نیز از آن‌ها بهره جست –البته او اشاره می‌کند که هنوز هیچ کدام از این الگوریتم‌ها را نمی‌شناسیم.

اما ریموند لافلام از دانش‌گاه Waterloo در کانادا هم‌چنان اندکی تردید دارد. او می گوید که آخرین یافته‌ها را با اشتیاق دنبال می‌کند و باور دارد که نمونه‌گیری بوزونی «نکته‌ای مهم درباره‌ی پردازش کوانتومی داده‌ها به ما می‌آموزد –این‌که برای نتیجه گرفتن از مکانیک کوانتومی، نیازی به یک رایانه‌ی کوانتومی کاملا کاربردی نداریم». اما او مطمئن نیست که این ابزار واقعا کار کند. او می‌گوید: «بر من روشن نیست آن‌گاه که تلاش کنیم به ۲۰ یا ۳۰ فوتون برسیم،  یافته‌های آزمایش‌گاهی تحت‌الشعاع ناکاملی‌ها قرار نخواهند گرفت»... «اما از طرفی نمی‌توانم این را نشان دهم؛ و گرفتاری بزرگ کارهای آزمایش‌گاهی هم همین است.»  

[فازت چیه؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟]

لایک