خلق اولین الگوریتم کوانتومی توزیع شده: گامی بزرگ به سوی ابررایانه‌های کوانتومی

حل مشکل مقیاس‌پذیری در محاسبات کوانتومی
یکی از چالش‌های اساسی در توسعه کامپیوترهای کوانتومی، مسئله مقیاس‌پذیری است. برای دستیابی به یک کامپیوتر کوانتومی با قدرت کافی برای کاربردهای صنعتی، نیاز به پردازش میلیون‌ها کیوبیت است. اما تجمیع این تعداد پردازنده در یک دستگاه واحد، مستلزم ساخت ماشینی با ابعاد بسیار بزرگ است.

در رویکرد جدید، دستگاه‌های کوانتومی کوچک به یکدیگر متصل می‌شوند و امکان توزیع محاسبات در سراسر شبکه را فراهم می‌کنند.

از نظر تئوری، هیچ محدودیتی برای تعداد پردازنده‌هایی که می‌توانند در این شبکه قرار گیرند، وجود ندارد.

معماری مقیاس‌پذیر با استفاده از ماژول‌های کوانتومی
این معماری مقیاس‌پذیر بر اساس ماژول‌هایی است که هر کدام شامل تعداد کمی کیوبیت‌های یون به دام افتاده هستند. این ماژول‌ها با استفاده از فیبرهای نوری به یکدیگر متصل می‌شوند و برای انتقال داده‌ها بین آن‌ها از نور (فوتون‌ها) به جای سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌شود.

این لینک‌های فوتونی امکان درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها در ماژول‌های جداگانه را فراهم می‌کنند و اجازه می‌دهند منطق کوانتومی با استفاده از تله‌پورتاسیون کوانتومی بین ماژول‌ها انجام شود.

تله‌پورتاسیون کوانتومی و دروازه‌های منطقی کوانتومی
اگرچه تله‌پورتاسیون کوانتومی پیش‌تر برای انتقال حالت‌های کوانتومی بین سیستم‌های فیزیکی جداگانه به کار رفته بود، این مطالعه اولین نمایش تله‌پورتاسیون کوانتومی دروازه‌های منطقی (اجزای حداقلی یک الگوریتم) در یک لینک شبکه است.

به گفته محققان، این می‌تواند زمینه‌ساز ایجاد یک «اینترنت کوانتومی» در آینده باشد، جایی که پردازنده‌های دوردست می‌توانند یک شبکه فوق‌العاده امن برای ارتباطات، محاسبات و حس‌گری را تشکیل دهند.

اظهارات محققان
دوگال مین، سرپرست این مطالعه از دپارتمان فیزیک دانشگاه آکسفورد، گفت: «نمایش‌های قبلی تله‌پورتاسیون کوانتومی بر انتقال حالت‌های کوانتومی بین سیستم‌های فیزیکی جداگانه تمرکز داشتند. در مطالعه ما، از تله‌پورتاسیون کوانتومی برای ایجاد تعاملات بین این سیستم‌های دوردست استفاده می‌کنیم.»

وی اضافه کرد: «با تنظیم دقیق این تعاملات، می‌توانیم دروازه‌های منطقی کوانتومی – عملیات اساسی محاسبات کوانتومی – را بین کیوبیت‌های موجود در کامپیوترهای کوانتومی جداگانه انجام دهیم. این پیشرفت به ما امکان می‌دهد تا پردازنده‌های کوانتومی مجزا را به‌طور مؤثر به یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً متصل متصل کنیم.»

شباهت به ابررایانه‌های سنتی
این مفهوم مشابه نحوه کار ابررایانه‌های سنتی است. این ابررایانه‌ها از کامپیوترهای کوچکتر تشکیل شده‌اند که به یکدیگر متصل شده و به عنوان یک واحد واحد عمل می‌کنند. در اینجا، ماژول‌های کوانتومی کوچک به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک کامپیوتر کوانتومی بزرگتر و قدرتمندتر را تشکیل دهند.

مزایای استفاده از لینک‌های فوتونی
با اتصال ماژول‌ها با استفاده از لینک‌های فوتونی، سیستم انعطاف‌پذیری ارزشمندی به دست می‌آورد که امکان ارتقاء یا تعویض ماژول‌ها را بدون اختلال در کل معماری فراهم می‌کند. این امر به‌ویژه در زمینه‌ای که فناوری به سرعت در حال پیشرفت است، اهمیت بسیاری دارد.

چشم‌انداز آینده
این پیشرفت نشان می‌دهد که با ترکیب ماژول‌های کوانتومی کوچک و اتصال آن‌ها از طریق لینک‌های فوتونی، می‌توان به ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ و قدرتمند نزدیک‌تر شد. این رویکرد نه تنها مشکل مقیاس‌پذیری را حل می‌کند، بلکه انعطاف‌پذیری و قابلیت ارتقاء سیستم را نیز افزایش می‌دهد، که برای پیشرفت‌های آینده در این حوزه بسیار حیاتی است.

این دستاورد نشان‌دهنده یک گام مهم به سوی ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر و مقیاس‌پذیر است.

با ادامه تحقیقات در این زمینه، ممکن است در آینده نزدیک شاهد توسعه شبکه‌های کوانتومی باشیم که امکان محاسبات و ارتباطات با امنیت و کارایی بی‌سابقه را فراهم می‌کنند.