کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا با تکنولوژی فیبر نوری
توسط
کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا با تکنولوژی فیبر نوری
طراحی رایانه های کوانتومی ابررسانا با قدرت پردازش عظیم با فناوری مخابراتی فیبر نوری به عنوان راهکاری مدرن.
فیزیکدانان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) یک بیت کوانتومی ابررسانا (کیوبیت) را با جایگزین کردن فیبرهای رسانای نور به جای سیمهای فلزی الکتریکی راه اندازی کرده و راه را برای تولید یک میلیون کیوبیت در یک کامپیوتر کوانتومی هموار کرده‌اند.
فیبر نوری ، ستون فقرات شبکه های مخابراتی ، دارای هسته شیشه ای یا پلاستیکی است که می تواند حجم زیادی از سیگنال های نوری را بدون هدایت گرما منتقل کند. اما رایانه های کوانتومی ابررسانا از پالس های مایکروویو برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده می کنند. بنابراین نور باید دقیقاً به مایکروویو تبدیل شود.
سیستم های ابررسانا یک فناوری پیشرو در ساخت رایانه های کوانتومی هستند، زیرا با قابلیت اعتماد بالا ، به راحتی تولید انبوه می شوند. این سیستم ها باید در دمای معینی قرار بگیرند تا بهترین عملکرد را داشته باشند. زیرا قطعات الکترونیکی به کار رفته در آنها در حال کار، گرمای زیادی را تولید میکنند که موجب گرم شدن بیش از حد کیوبیت ها می‌شود. انتظار می رود یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ ، قادر به حل هر نوع مشکلی ، به حدود 1 میلیون کیوبیت نیاز داشته باشد. کرایواستات های معمولی – یخچال های رقیق کننده فوق سرد – با سیم کشی فلزی حداکثر می توانند تا هزار را پشتیبانی کنند.
فیبر نوری اصلی ترین راهکار افزایش بازده کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا
فیبر نوری ، ستون فقرات شبکه های مخابراتی ، دارای هسته شیشه ای یا پلاستیکی است که می تواند حجم زیادی از سیگنال های نوری را بدون هدایت گرما منتقل کند. اما رایانه های کوانتومی ابررسانا از پالس های مایکروویو برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده می کنند. بنابراین نور باید دقیقاً به مایکروویو تبدیل شود.
برای حل این مشکل ، محققان NIST فیبر را با چند جزء استاندارد دیگر ترکیب کردند که نور را در سطح ذرات منفرد یا فوتون ها تبدیل ، منتقل و اندازه گیری می کنند و سپس می توانند به راحتی به مایکروویو تبدیل شوند. این سیستم به خوبی سیم کشی فلزی عمل می‌کند و حالت کوانتومی شکننده کیوبیت را حفظ میکنند.
جان توفل ، فیزیکدان NIST می گوید: “من فکر می کنم این پیشرفت تأثیر زیادی خواهد داشت زیرا دو فناوری کاملاً متفاوت ، فوتونیک و کیوبیت های ابررسانا را برای حل یک مشکل بسیار مهم ترکیب می کند.” فیبر نوری همچنین می تواند داده های بسیار بیشتری را در حجم بسیار کمتر از کابل معمولی منتقل کند.
به طور معمول ، محققان پالس های مایکروویو را در دمای اتاق تولید می کنند و سپس آنها را از طریق کابل های فلزی کواکسیال به کیوبیت های ابررسانا منتقل می کنند. این تکنولوژی جدید NIST که از فیبر نوری به جای فلز برای هدایت سیگنال های نوری به آشکارسازهای برودتی استفاده می‌کند، سیگنال ها را به مایکروویو تبدیل کرده و به کیوبیت می رساند. در نتیجه می توان امواج مایکروویو را از طریق پیوند فوتونی یا یک خط کواکسیال معمولی به کیوبیت هدایت کرد.
روند آزمایشات محققان برای یافتن راهکار، جهت بهبود عملکرد سیستم
محققان به طور کلی آزمایشات را با ژنراتور مایکروویو آغاز کردند. برای کنترل حالت کوانتومی کیوبیت ، دستگاه هایی به نام تعدیل کننده الکترواپتیک مایکروویو را به فرکانس های نوری بالاتر تبدیل کردند. این سیگنال ها از طریق فیبر نوری از دمای اتاق به 4 کلوین (منفی 269 درجه سانتی گراد یا منفی 452 درجه فارنهایت) تا 20 میلی کیلوین (هزارم کلوین) منتقل می شوند ، آنجا از آشکارسازهای نوری نیمه هادی با سرعت بالا، برای ارسال سیگنال های نوری به مایکروویوهایی و سپس به مدار کوانتومی استفاده می شود.
در این آزمایشات ، محققان سیگنال هایی را به کیوبیت با فرکانس رزونانس طبیعی خود ارسال کردند تا آن را در حالت کوانتومی مطلوب قرار دهند. کیوبیت زمانی که توان لیزر کافی وجود داشت ، بین سطح زمین و حالتهای برانگیخته نوسان می کرد.
برای اندازه گیری حالت کیوبیت ، محققان از لیزر مادون قرمز برای پرتاب نور در سطح توان خاصی از طریق تعدیل کننده ها ، فیبرها و آشکارسازهای نوری برای اندازه گیری فرکانس رزونانس استفاده کردند.
محققان ابتدا کیوبیت را با نوسان ، با سرکوب قدرت لیزر ، آغاز کردند و سپس با استفاده از پیوند فوتونی یک پالس ضعیف مایکروویو را به حفره ارسال کردند. فرکانس حفره به طور دقیق حالت کیوبیت را در 98 the موارد نشان می دهد ، همان دقت که با استفاده از خط کواکسیال معمولی بدست می آید.
محققان یک پردازنده کوانتومی را تصور می کنند که در آن نور فیبرهای نوری سیگنال ها را به کیوبیت ها منتقل می کند و هر فیبر دارای ظرفیت حمل هزاران سیگنال به کیوبیت و از آن است
از فیبر نوری به عنوان راهکاری مدرن و مقرون به صرفه و جایگزین مس در صنایع امروزی یاد می‌شود . تمامی سیستم های امروزی در جهت بهبود عمکرد، ملزم به جایگزین کردن تجهیزات قدیمی با راهکار های به روز هستند .
