محاسبات کوانتومی: کیوبیت‌ها

بیت‌های كوانتومی یا كیوبیت‌های معادل كوانتومی ترانزیستورهایی‌اند كه رایانه‌های امروزی را تشكیل داده‌اند. وجه مشترك تمام كیوبیت‌ها آن است كه می‌توانند از وضعیتی به وضعیت دیگر سوئیچ شوند تغییر وضعیتی که می‌توان از آن برای نشان دادن دوتایی (صفر و یك) اطلاعات استفاده نمود.
كیوبیت‌ها دارای یكی از چهار نوع ذره كوانتومی فوتون، الكترون، اتم و یون می‌باشند. فوتون‌ها با یكدیگر برهم‌كنش خوبی ندارند، اما می‌توانند به آسانی از نقطه‌ای به نقطه دیگر جابه‌جا شوند و این خاصیت آنها را به گزینه‌ای مناسب جهت انتقال اطلاعات كوانتومی تبدیل می‌كند؛ الكترون‌ها، اتم‌ها و یون‌ها بر خلاف فوتون‌ها، به آسانی با هم برهم‌كنش دارند، اما جابه‌جایی خوبی ندارند و به همین دلیل برای پردازش و ذخیره اطلاعات كوانتومی بسیار مناسب می‌باشند.
● فوتون‌ها
میدان الكتریكیِ فوتون‌های غیر قطبی، در صفحه‌ای عمود بر جهت حركت فوتون به ارتعاش درمی‌آید. اما میدان‌های الكتریكی فوتون‌های قطبی، تنها در یكی از چهار جهت داخل صفحه (عمودی، افقی و در جهت دیاگونال) مرتعش می‌شود و این دو جفت قطبش به ترتیب نشان‌دهنده وضعیت‌های صفر و یك هستند.
فوتون‌ها را می‌توان با آینه و فیلترهای قطبی‌كننده كنترل نمود. این فیلترها تمام فوتون‌ها به غیر از فوتون‌های با یك جهت قطبش معین را در خود نگه می‌دارند. همچنین می‌توان از چرخه موج یا فاز فوتون‌ها و نیز زمان رسیدن آنها، به جای كیوبیت استفاده نمود.
● الكترون‌ها
الكترون‌ها دارای دو جهت اسپین بالا و پایین، همانند دوقطب یك آهنربا، می‌باشند و می‌توان با استفاده از میدان‌های الكتریكی مغناطیسی یا نوری، آنها را در یكی از این دو وضعیت قرار داد. همچنین می‌توان از موقعیت الكترون در یك نقطه كوانتومی برای نمایش یك عدد دوتایی (صفر یا یك) استفاده نمود.
● اتم‌ها و یون‌ها
اتم‌ها و یون‌ها از الكترون‌ها پیچیده‌تر می‌باشد و به روش‌های متعددی می‌توان از آنها برای نمایش اطلاعات استفاده كرد. یون‌ها؛ در واقع؛ اتم‌های باردار هستند كه بار آنها ناشی از دریافت کردن و یا از دست دادن الكترون می‌باشد.
اتم‌ها نیز همانند الكترون‌ها دارای جهت اسپینی هستند كه می‌توان از آن برای نمایش یك رقم دوتایی در یك كیوبیت استفاده نمود. همچنین از موقعیت الكترون لایه خارجی اتم- در سطح انرژی پایین‌تر یا بالاتر- هم می‌توان برای نمایش صفر و یك‌ها استفاده نمود. همچنین اتم‌هایی كه به دام انداخته شده و ثابت می‌شوند دارای ارتعاشات كوانتومی گسسته‌ای خواهند بود كه از آن نیز می‌توان در كیوبیت‌ها استفاده نمود.
نوع چهارم كیوبیت‌های‌ اتمی، مبتنی بر سطوح فوق ظریف یا ارتعاشات بسیار ریز سطوح اربیتال‌های الكترونی است كه حاصل برهم‌كنش‌های مغناطیسی بین هسته و الكترون است.
● كیوبیت‌ها
كیوبیت‌ها از ذرات كنترل شده‌ای تشكیل شده‌اند و در واقع ابزارهای به دام اندازی دارند.
▪ دام‌های یونی
دام‌های یونی برای نگهداشتن هر كدام از یون‌ها از میدان‌های مغناطیسی و یا نوری استفاده می‌كنند. محققان تاكنون توانسته‌اند شش یون را دریك تك دام یونی نگه دارند. فناوری دام یونی به خوبی جا افتاده و احتمال دارد كه بتوان با استفاده از آن در سطح انبوه به تولید كیوبیت‌ها پرداخت. به دلیل باردار بودن یون‌ها، آنها در برابر نویز زیست محیطی آسیب‌پذیری بیشتری نسبت به اتم‌های خنثا دارند.
▪ نقاط كوانتومی
نقاط كوانتومی در واقع بیت‌هایی از مواد نیمه‌رسانا شامل یك یا چند الكترون است. این نقاط كوانتومی را می‌توان با الكترون‌های منفرد بارگذاری نمود و به آسانی آنها را در ابزارها و تجهیزات الكترونیكی جای داد در عین حال نمونه‌های اولیه نقاط كوانتومی تنها در دماهای فوق‌العاده پایین كار می‌كنند.
▪ ناخالص‌های نیمه‌رسانا
اتم‌های قرار داده شده در مواد نیمه‌رسانا معمولاً ناخالصی یا نقص تراشه‌های رایانه‌ای به حساب می‌آیند. ساخت تراشه خالص بسیار دشوار است و علی‌رغم تمام تلاش‌های انجام شده، در هر چند میلیارد اتم نیمه‌رسانا یك اتم ناخواسته وجود خواهد داشت.
كیوبیت‌های از جنس ناخالصی نیمه‌رسانا، از الكترون موجود در اتم‌های فسفر یا دیگر اتم‌هایی كه به طور مصنوعی در ماده نیمه‌رسانا قرار داده شده‌اند استفاده می‌كنند و حالت این الكترون‌ها را می‌توان با استفاده از لیزر یا میدان الكتریكی كنترل نمود.
▪ مدارهای ابررسانا
مدارهای ابررسانا، مدارهایی الكتریكی هستند كه از مواد ابررسانا تشكیل شده‌اند در این مواد امكان حركت الكترون‌ها تقریباً بدون هیچ‌گونه مقاومتی در دمای پایین فراهم می‌شود. این مدارها به چندین روش می‌توانند كیوبیت‌ها را تشكل دهند. از جمله این روش‌ها حرکت جریان الكتریكی است كه می‌توان آن را در یك لحظه در دوجهت و در یك وضعیت كوانتومی ابرمكانی حرکت داد.
الكترون‌ها از طریق ابررسانا با جریان جفت می‌شوند و میلیاردها از این جفت‌ها،‌ ماده‌ای را تشكیل می‌دهند كه وقتی ابررسانا یك شكاف بسیار ریز داشته باشد، به صورت یك ذره زیراتمی بزرگ عمل می‌كند.
وقتی یكی از مدارها، از طریق اتصال Josephson،‌ به منبعی از جفت الكترون‌ها متصل شود، تعداد این جفت الكترون‌ها تغییر می‌كند و این تغییر قابل اندازه‌گیری است. مدارهای ابررسانا را می‌توان با استفاده از همان روش‌های تولید نیمه‌رسانا ساخت.
مزیت اساسی این روش آن است كه از میلیون‌ها و یا میلیاردها الكترون استفاده می‌شود و دیگر نیازی به كنترل تك‌تك ذرات نیست. البته عیب این كار آن است كه انجام آن فقط در دماهای بسیار پایین امكان‌پذیر است.
▪ دام‌های نوری
اتم‌های خنثای به دام افتاده در دام‌های نوری، نوع دیگری از كیوبیت‌ها می‌باشند که به علت قدرت كافی امواج نور در سطح اتمی برای به دام انداختن و كنترل ذرات، از آنها استفاده می‌شود. كار این دام‌ها بسیار شبیه آسیاب بادی است. اتم‌ها آسیب‌پذیری كمتری در برابر نویز دارند، اما واداشتن آنها به هم‌‌كنش سخت‌تر است.

منبع : شبکه فیزیکی هوپا