کانبرا، استرالیا – دانشمندان استرالیایی از یک پیشرفت نظری پرده برداری کرده اند که می تواند به طور چشمگیری سرعت توسعه رایانه های کوانتومی عملی را افزایش دهد و پیشنهاد استفاده از “باتری های کوانتومی” کوچک برای تامین انرژی سیستم ها و به طور بالقوه چهار برابر کردن تعداد کیوبیت های بسته بندی شده در همان فضای فیزیکی را دارد.
در مطالعه ای که چهارشنبه در مجله منتشر شد معاینه فیزیکی Xمحققان آژانس ملی علوم استرالیا CSIRO، دانشگاه کوئینزلند و موسسه علوم و فناوری اوکیناوا ژاپن (OIST) نشان دادهاند که چگونه ادغام باتریهای کوانتومی داخلی میتواند بر موانع کلیدی محاسبات کوانتومی، از جمله تولید گرمای بیش از حد، الزامات سیمکشی پیچیده و مقیاسپذیری محدود به دلیل محدودیتهای خنکسازی برودتی غلبه کند.
این معماری به باتریهای کوانتومی -دستگاههایی که از اثرات مکانیکی کوانتومی برای ذخیره و تحویل انرژی کارآمدتر از روشهای کلاسیک استفاده میکنند- به عنوان منبع انرژی داخلی برای عملیات کوانتومی متکی است. با بازیافت انرژی در سیستم، این رویکرد به اتلاف انرژی نزدیک به صفر برای محاسبات خاص دست می یابد و در عین حال نیاز به خطوط درایو جداگانه برای هر کیوبیت را از بین می برد.
دکتر جیمز کواچ، رئیس تحقیقات باتری کوانتومی CSIRO و یکی از نویسندگان این مطالعه، این نوآوری را به عنوان یک تغییر دهنده بازی برای مقیاسبندی فناوری کوانتومی توصیف کرد.
کواچ در بیانیهای که توسط CSIRO منتشر شد، گفت: ما محاسبه کردیم که سیستمهای کوانتومی با باتریهای کوانتومی به طور قابلتوجهی گرمای کمتری تولید میکنند، به اجزای سیمکشی کمتری نیاز دارند و کیوبیتهای بیشتری را در فضای فیزیکی یکسان قرار میدهند – همه گامهای مهم در جهت ساخت رایانههای کوانتومی کاربردی و مقیاسپذیر هستند.
کامپیوترهای کوانتومی کنونی، به ویژه آنهایی که از کیوبیتهای ابررسانا استفاده میکنند، با محدودیتهای شدید از نیاز به خنکسازی شدید تا نزدیک به صفر مطلق و سیمکشی متراکم مورد نیاز برای کنترل و خواندن کیوبیتهای مجزا مواجه هستند. با افزایش تعداد کیوبیت ها، هزینه های سیم کشی و بار حرارتی به طور تصاعدی افزایش می یابد و تعداد کیوبیت ها را محدود می کند که می توانند در یک سیستم برودتی جا شوند.
مدلسازی جدید نشان میدهد که طراحی باتری کوانتومی تشدیدکننده مشترک میتواند خطوط درایو در هر کیوبیت را حذف کند، نیازهای زیرساختی را کاهش داده و ظرفیت هر کیوبیت را تا چهار برابر افزایش میدهد. محققان همچنین دستاوردهای بالقوه در سرعت محاسبات را از طریق “بسط کشش کوانتومی” شناسایی کردند، پدیده ای که در آن با اضافه شدن کیوبیت های بیشتر، عملکرد به صورت غیر خطی بهبود می یابد.
این پیشنهاد اولین چارچوب برای استفاده از باتریهای کوانتومی برای توان ذاتی محاسبات کوانتومی را نشان میدهد، که دروازههای منفرد با بازده ترمودینامیکی نزدیک به اتلاف صفر را قادر میسازد. در اجرای مدار ابررسانا، باتری مشترک به طور جمعی نیرو را تحویل میدهد و انسجام کوانتومی را حفظ میکند و در عین حال معماری کنترل را ساده میکند.
اگرچه این کار تئوری و مبتنی بر شبیهسازیهای دقیق است، اما تیم بر امکانسنجی آن در پلتفرمهای سختافزار کوانتومی موجود تاکید میکند. اعتبار سنجی آزمایشی گام بعدی باقی می ماند، اما یافته ها با تلاش های جهانی در حال انجام برای افزایش تعداد کیوبیت ها فراتر از محدودیت های فعلی چند صد تا هزاران یا میلیون ها مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا سازگار است.
پروفسور آرکادی فدوروف از دانشگاه کوئینزلند، یکی دیگر از نویسندگان، بر ماهیت میان رشته ای این پیشرفت تأکید کرد.
فدوروف گفت: “این همکاری تخصص در ترمودینامیک کوانتومی، طراحی مدار و علم مواد را برای مقابله با یکی از مهمترین چالشها در فناوری کوانتومی – مدیریت انرژی کارآمد در مقیاس کوانتومی – گرد هم میآورد.”
CSIRO که تحقیقات کوانتومی را در استرالیا از طریق ابتکاراتی مانند تیم باتریهای کوانتومی رهبری میکند، این پیشرفت را بخشی از یک حرکت گستردهتر برای قرار دادن کشور به عنوان یک رهبر در فناوری کوانتومی میداند. این آژانس سرمایهگذاری زیادی در کاربردهای سنجش کوانتومی، محاسبات و ذخیرهسازی انرژی کرده است، با باتریهای کوانتومی که بهعنوان یک فناوری با کاربرد دوگانه در حال ظهور هستند و میتوانند برای سیستمهای انرژی کلاسیک نیز مفید باشند.
این تحقیق در بحبوحه رقابت شدید بینالمللی در محاسبات کوانتومی، با رقابت شرکتها و دولتها برای دستیابی به یک مزیت کوانتومی عملی، انجام میشود. پیشرفتها در چگالی کیوبیت و بهرهوری انرژی برای قابل اجرا کردن ماشینهای کوانتومی برای کاربردهای دنیای واقعی در کشف دارو، علم مواد، رمزنگاری و مسائل بهینهسازی فراتر از دسترس ابررایانههای کلاسیک ضروری است.
کارشناسان صنعت از این یافته ها استقبال کردند اما هشدار دادند که ترجمه این نظریه به سخت افزار نیازمند پیشرفت های مهندسی بیشتر است.
یکی از فیزیکدانان کوانتومی که به شرط ناشناس ماندن با این کار آشناست، گفت: «چهارشدن چگالی کیوبیت از طریق تحویل هوشمندتر انرژی، راه حلی ظریف برای یک مسئله دشوار است. “اگر به صورت تجربی تایید شود، میتواند طراحی سیستم برودتی را متحول کند و نقشههای راه را برای کامپیوترهای کوانتومی تصحیح شده با خطا تسریع بخشد.”
این تحقیق با کمک های مالی داخلی و کمک های مالی مشترک CSIRO، بدون هیچ مشارکت تجاری فوری، حمایت شد. مقاله کامل، با عنوان “قدرت دادن به محاسبات کوانتومی با باتری های کوانتومی”، از طریق انجمن فیزیکی آمریکا در دسترس است. معاینه فیزیکی X.
با پیشرفت فناوری کوانتومی، محققان استرالیایی می گویند نوآوری هایی مانند این می تواند مزایای اقتصادی قابل توجهی به همراه داشته باشد و تخمین ها پیش بینی می کنند که بازار جهانی کوانتومی در دهه های آینده به صدها میلیارد دلار برسد.
