X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

محاسبات کوانتومی: کیوبیت‌ها

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌های معادل کوانتومی ترانزیستورهایی‌اند که رایانه‌های امروزی را تشکیل داده‌اند. وجه مشترک تمام کیوبیت‌ها آن است که می‌توانند از وضعیتی به وضعیت دیگر سوئیچ شوند تغییر وضعیتی که می‌توان از آن برای نشان دادن دوتایی (صفر و یک) اطلاعات استفاده نمود.
کیوبیت‌ها دارای یکی از چهار نوع ذره کوانتومی فوتون، الکترون، اتم و یون می‌باشند. فوتون‌ها با یکدیگر برهم‌کنش خوبی ندارند، اما می‌توانند به آسانی از نقطه‌ای به نقطه دیگر جابه‌جا شوند و این خاصیت آنها را به گزینه‌ای مناسب جهت انتقال اطلاعات کوانتومی تبدیل می‌کند؛ الکترون‌ها، اتم‌ها و یون‌ها بر خلاف فوتون‌ها، به آسانی با هم برهم‌کنش دارند، اما جابه‌جایی خوبی ندارند و به همین دلیل برای پردازش و ذخیره اطلاعات کوانتومی بسیار مناسب می‌باشند

بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌های معادل کوانتومی ترانزیستورهایی‌اند که رایانه‌های امروزی را تشکیل داده‌اند. وجه مشترک تمام کیوبیت‌ها آن است که می‌توانند از وضعیتی به وضعیت دیگر سوئیچ شوند تغییر وضعیتی که می‌توان از آن برای نشان دادن دوتایی (صفر و یک) اطلاعات استفاده نمود.
کیوبیت‌ها دارای یکی از چهار نوع ذره کوانتومی فوتون، الکترون، اتم و یون می‌باشند. فوتون‌ها با یکدیگر برهم‌کنش خوبی ندارند، اما می‌توانند به آسانی از نقطه‌ای به نقطه دیگر جابه‌جا شوند و این خاصیت آنها را به گزینه‌ای مناسب جهت انتقال اطلاعات کوانتومی تبدیل می‌کند؛ الکترون‌ها، اتم‌ها و یون‌ها بر خلاف فوتون‌ها، به آسانی با هم برهم‌کنش دارند، اما جابه‌جایی خوبی ندارند و به همین دلیل برای پردازش و ذخیره اطلاعات کوانتومی بسیار مناسب می‌باشند.

فوتون‌ها

میدان الکتریکیِ فوتون‌های غیر قطبی، در صفحه‌ای عمود بر جهت حرکت فوتون به ارتعاش درمی‌آید. اما میدان‌های الکتریکی فوتون‌های قطبی، تنها در یکی از چهار جهت داخل صفحه (عمودی، افقی و در جهت دیاگونال) مرتعش می‌شود و این دو جفت قطبش به ترتیب نشان‌دهنده وضعیت‌های صفر و یک هستند.
فوتون‌ها را می‌توان با آینه و فیلترهای قطبی‌کننده کنترل نمود. این فیلترها تمام فوتون‌ها به غیر از فوتون‌های با یک جهت قطبش معین را در خود نگه می‌دارند. همچنین می‌توان از چرخه موج یا فاز فوتون‌ها و نیز زمان رسیدن آنها، به جای کیوبیت استفاده نمود.

الکترون‌ها

الکترون‌ها دارای دو جهت اسپین بالا و پایین، همانند دوقطب یک آهنربا، می‌باشند و می‌توان با استفاده از میدان‌های الکتریکی مغناطیسی یا نوری، آنها را در یکی از این دو وضعیت قرار داد. همچنین می‌توان از موقعیت الکترون در یک نقطه کوانتومی برای نمایش یک عدد دوتایی (صفر یا یک) استفاده نمود.

اتم‌ها و یون‌ها

اتم‌ها و یون‌ها از الکترون‌ها پیچیده‌تر می‌باشد و به روش‌های متعددی می‌توان از آنها برای نمایش اطلاعات استفاده کرد. یون‌ها؛ در واقع؛ اتم‌های باردار هستند که بار آنها ناشی از دریافت کردن و یا از دست دادن الکترون می‌باشد.
اتم‌ها نیز همانند الکترون‌ها دارای جهت اسپینی هستند که می‌توان از آن برای نمایش یک رقم دوتایی در یک کیوبیت استفاده نمود. همچنین از موقعیت الکترون لایه خارجی اتم- در سطح انرژی پایین‌تر یا بالاتر- هم می‌توان برای نمایش صفر و یک‌ها استفاده نمود. همچنین اتم‌هایی که به دام انداخته شده و ثابت می‌شوند دارای ارتعاشات کوانتومی گسسته‌ای خواهند بود که از آن نیز می‌توان در کیوبیت‌ها استفاده نمود.
نوع چهارم کیوبیت‌های‌ اتمی، مبتنی بر سطوح فوق ظریف یا ارتعاشات بسیار ریز سطوح اربیتال‌های الکترونی است که حاصل برهم‌کنش‌های مغناطیسی بین هسته و الکترون است.

کیوبیت‌ها

کیوبیت‌ها از ذرات کنترل شده‌ای تشکیل شده‌اند و در واقع ابزارهای به دام اندازی دارند. این کیوبیت‌ها چهار نوع می‌باشند:
دام‌های یونی، نقاط کوانتومی، ناخالص‌های نیمه‌رسانا و مدارهای ابررسانا.

دام‌های یونی

دام‌های یونی برای نگهداشتن هر کدام از یون‌ها از میدان‌های مغناطیسی و یا نوری استفاده می‌کنند. محققان تاکنون توانسته‌اند شش یون را دریک تک دام یونی نگه دارند. فناوری دام یونی به خوبی جا افتاده و احتمال دارد که بتوان با استفاده از آن در سطح انبوه به تولید کیوبیت‌ها پرداخت. به دلیل باردار بودن یون‌ها، آنها در برابر نویز زیست محیطی آسیب‌پذیری بیشتری نسبت به اتم‌های خنثا دارند.

نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومی در واقع بیت‌هایی از مواد نیمه‌رسانا شامل یک یا چند الکترون است. این نقاط کوانتومی را می‌توان با الکترون‌های منفرد بارگذاری نمود و به آسانی آنها را در ابزارها و تجهیزات الکترونیکی جای داد در عین حال نمونه‌های اولیه نقاط کوانتومی تنها در دماهای فوق‌العاده پایین کار می‌کنند.

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 یک اتم ناخواسته وجود خواهد داشت.
کیوبیت‌های از جنس ناخالصی نیمه‌رسانا، از الکترون موجود در اتم‌های فسفر یا دیگر اتم‌هایی که به طور مصنوعی در ماده نیمه‌رسانا قرار داده شده‌اند استفاده می‌کنند و حالت این الکترون‌ها را می‌توان با استفاده از لیزر یا میدان الکتریکی کنترل نمود.

مدارهای ابررسانا

مدارهای ابررسانا، مدارهایی الکتریکی هستند که از مواد ابررسانا تشکیل شده‌اند در این مواد امکان حرکت الکترون‌ها تقریباً بدون هیچ‌گونه مقاومتی در دمای پایین فراهم می‌شود. این مدارها به چندین روش می‌توانند کیوبیت‌ها را تشکل دهند. از جمله این روش‌ها حرکت جریان الکتریکی است که می‌توان آن را در یک لحظه در دوجهت و در یک وضعیت کوانتومی ابرمکانی حرکت داد.
الکترون‌ها از طریق ابررسانا با جریان جفت می‌شوند و میلیاردها از این جفت‌ها،‌ ماده‌ای را تشکیل می‌دهند که وقتی ابررسانا یک شکاف بسیار ریز داشته باشد، به صورت یک ذره زیراتمی بزرگ عمل می‌کند.
وقتی یکی از مدارها، از طریق اتصال Josephson،‌ به منبعی از جفت الکترون‌ها متصل شود، تعداد این جفت الکترون‌ها تغییر می‌کند و این تغییر قابل اندازه‌گیری است. مدارهای ابررسانا را می‌توان با استفاده از همان روش‌های تولید نیمه‌رسانا ساخت.
مزیت اساسی این روش آن است که از میلیون‌ها و یا میلیاردها الکترون استفاده می‌شود و دیگر نیازی به کنترل تک‌تک ذرات نیست. البته عیب این کار آن است که انجام آن فقط در دماهای بسیار پایین امکان‌پذیر است.

دام‌های نوری

اتم‌های خنثای به دام افتاده در دام‌های نوری، نوع دیگری از کیوبیت‌ها می‌باشند که به علت قدرت کافی امواج نور در سطح اتمی برای به دام انداختن و کنترل ذرات، از آنها استفاده می‌شود. کار این دام‌ها بسیار شبیه آسیاب بادی است. اتم‌ها آسیب‌پذیری کمتری در برابر نویز دارند، اما واداشتن آنها به هم‌‌کنش سخت‌تر است.

ارسال نظر