دستاوردی بی‌سابقه: تله‌پورت اطلاعات میان رایانه‌های کوانتومی برای اولین بار در جهان

در پیشرفت تازه‌ای که می‌تواند آینده‌ی رایانش کوانتومی را متحول کند، دانشمندان دانشگاه آکسفورد موفق شده‌اند برای نخستین بار واحدهای پردازشی کوانتومی را میان چند رایانه کوانتومی توزیع کنند، بدون اینکه عملکرد آن‌ها دچار اختلال شود. این آزمایش که در فاصله‌ی دو متری در یک آزمایشگاه انجام شد، گامی مهم در جهت توسعه‌ی یک شبکه‌ی جهانی از رایانه‌های کوانتومی به هم متصل محسوب می‌شود.

این تحقیق نشان داد که می‌توان ماژول‌های کوانتومی را از طریق پدیده‌ی تله‌پورت (Teleportation) به یکدیگر متصل کرد، بدون اینکه کیفیت پردازش اطلاعات کاهش یابد. چنین امکانی، راه را برای ایجاد یک اینترنت کوانتومی هموار می‌کند که در آن رایانه‌های کوانتومی در سراسر جهان قادر خواهند بود به‌صورت یکپارچه با یکدیگر همکاری کنند و محاسباتی را انجام دهند که فراتر از توان رایانه‌های کلاسیک است.

تله‌پورت کوانتومی چیست و چگونه کار می‌کند؟

تله‌پورت کوانتومی، برخلاف تصورات علمی-تخیلی که آن را به انتقال آنی افراد از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر مرتبط می‌کنند، به مفهوم انتقال اطلاعات کوانتومی بدون حرکت فیزیکی ذرات اشاره دارد.

در فیزیک کوانتومی، ذرات می‌توانند تا زمانی که اندازه‌گیری نشوند، در حالت‌های نامشخص و هم‌زمان قرار بگیرند. به این وضعیت، برهم‌نهی (Superposition) می‌گویند. اما نکته‌ی جالب‌تر این است که اگر دو ذره به‌طور کوانتومی درهم‌تنیده (Entangled) شوند، ویژگی‌های آن‌ها به هم گره می‌خورد، حتی اگر فاصله‌ی زیادی از یکدیگر داشته باشند. این بدان معناست که اگر روی یکی از این دو ذره اندازه‌گیری انجام شود، ذره‌ی دیگر، حتی اگر در کیلومترها دورتر قرار داشته باشد، بلافاصله یک وضعیت مشخص را اتخاذ خواهد کرد.

در این پژوهش، دانشمندان از این ویژگی شگفت‌انگیز برای انتقال یک حالت اسپینی (Spin State) از یک پردازنده‌ی کوانتومی به پردازنده‌ی دیگر استفاده کردند. برخلاف روش‌های سنتی انتقال اطلاعات که به تبادل فوتون یا سیگنال نیاز دارند، تله‌پورت کوانتومی امکان انتقال اطلاعات را بدون نیاز به جابه‌جایی فیزیکی ذره فراهم می‌کند.

این پژوهش ثابت کرد که می‌توان از طریق تله‌پورت، کیوبیت‌ها (Qubits) را بین ماژول‌های مختلف رایانه‌های کوانتومی توزیع کرد و در نتیجه، معماری این رایانه‌ها را مقیاس‌پذیرتر کرد. این یافته‌ها راه را برای ساخت یک ابررایانه‌ی کوانتومی توزیع‌شده باز می‌کند که در آن چندین ماژول به‌طور هم‌زمان پردازش اطلاعات را انجام می‌دهند.

چرا این کشف اهمیت دارد؟

رایانه‌های کوانتومی، برخلاف رایانه‌های کلاسیک که از بیت‌های صفر و یک برای پردازش داده‌ها استفاده می‌کنند، از کیوبیت‌ها (Qubits) بهره می‌برند. این کیوبیت‌ها می‌توانند به‌طور هم‌زمان در چندین وضعیت قرار بگیرند، امکانی که به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد محاسبات پیچیده را با سرعتی بی‌سابقه انجام دهند. اما یکی از چالش‌های اصلی در توسعه‌ی این فناوری، این است که هرچه تعداد کیوبیت‌ها بیشتر شود، حفظ همبستگی و درهم‌تنیدگی میان آن‌ها سخت‌تر خواهد شد.

در حال حاضر، رایانه‌های کوانتومی موجود دارای محدودیت‌های فنی هستند. به دلیل ناپایداری کیوبیت‌ها، اطلاعات کوانتومی می‌تواند به‌سرعت از بین برود، مگر اینکه محیط پردازش به‌شدت ایزوله و پایدار نگه داشته شود. این موضوع باعث می‌شود که توسعه‌ی رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ، نیازمند تدابیر پیچیده‌ای مانند اصلاح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction) باشد.

پژوهش جدید نشان داد که می‌توان چندین پردازنده‌ی کوانتومی را بدون نیاز به یک سیستم واحد، از طریق تله‌پورت به هم متصل کرد. به عبارت دیگر  به‌جای ساخت یک رایانه‌ی کوانتومی غول‌پیکر، می‌توان چندین ماژول مستقل را که با تله‌پورت کوانتومی به هم متصل‌اند، به کار گرفت. این روش نه‌تنها بهره‌وری سیستم‌های کوانتومی را افزایش می‌دهد، بلکه به محققان این امکان را می‌دهد که با افزودن ماژول‌های جدید، به‌راحتی توان محاسباتی را افزایش دهند.

چگونه این آزمایش انجام شد؟

محققان در این آزمایش از یک حالت اسپینی کوانتومی استفاده کردند و موفق شدند آن را میان دو پردازنده‌ی کوانتومی به اشتراک بگذارند. نتیجه‌ی آزمایش نشان داد که کیفیت اطلاعات تله‌پورت‌شده، ۸۶ درصد با داده‌ی اولیه مطابقت دارد که برای انجام پردازش‌های کوانتومی بسیار قابل‌قبول است.

در ادامه‌ی این آزمایش، دانشمندان از این اطلاعات در یک دروازه‌ی منطقی کوانتومی (Quantum Logic Gate) برای اجرای الگوریتم گروور (Grover’s Algorithm) استفاده کردند. این الگوریتم که یکی از مهم‌ترین الگوریتم‌های محاسبات کوانتومی است، موفق شد با دقت ۷۱ درصد میان دو پردازنده‌ی کوانتومی اجرا شود. این میزان دقت نشان می‌دهد که تله‌پورت کوانتومی می‌تواند به‌طور عملی در محاسبات واقعی مورد استفاده قرار گیرد.

تأثیرات این کشف در آینده‌ی رایانش کوانتومی

این کشف می‌تواند آینده‌ی رایانه‌های کوانتومی و شبکه‌های ارتباطی آن‌ها را متحول کند. یکی از مشکلات اصلی در ساخت رایانه‌های کوانتومی بزرگ این است که هرچه تعداد کیوبیت‌ها بیشتر شود، مدیریت همبستگی آن‌ها دشوارتر خواهد شد. اما پژوهش جدید نشان داد که می‌توان با استفاده از چندین ماژول مجزا، به‌جای یک سیستم واحد، این مشکل را حل کرد.

یکی دیگر از مزایای این روش، انعطاف‌پذیری بیشتر در توسعه‌ی فناوری کوانتومی است. در یک رایانه‌ی کوانتومی سنتی، اگر یکی از بخش‌های سیستم دچار مشکل شود، کل پردازنده ممکن است دچار نقص شود. اما در این مدل جدید، ماژول‌های کوانتومی می‌توانند بدون اختلال در کل سیستم، ارتقا پیدا کنند یا جایگزین شوند.

محققان این پژوهش باور دارند که در آینده، با ترکیب فناوری تله‌پورت کوانتومی و ارتباطات نوری، می‌توان شبکه‌ای از رایانه‌های کوانتومی را در سراسر جهان ایجاد کرد. چنین شبکه‌ای، که به‌عنوان اینترنت کوانتومی (Quantum Internet) شناخته می‌شود، قادر خواهد بود که محاسبات عظیمی را که فراتر از توان رایانه‌های کلاسیک است، انجام دهد.

نتیجه‌گیری: آغاز عصر جدیدی در رایانش کوانتومی

پژوهش اخیر برای نخستین بار نشان داد که می‌توان واحدهای پردازش کوانتومی را از طریق تله‌پورت میان رایانه‌های مختلف توزیع کرد. این پیشرفت، راه را برای توسعه‌ی یک ابررایانه‌ی کوانتومی توزیع‌شده باز می‌کند که در آن، چندین پردازنده‌ی کوانتومی به‌صورت هماهنگ پردازش داده‌ها را انجام می‌دهند.

این موفقیت علمی می‌تواند مسیری تازه در توسعه‌ی رایانه‌های کوانتومی و اینترنت کوانتومی بگشاید و زمینه را برای حل مسائل پیچیده‌ی علمی، صنعتی و فناوری فراهم کند.

منبع: نیچر