دراسة جديدة تكسر قواعد مبدأ الشك لهايزنبرغ تكشف أنه يمكن قياس البتات الكمومية باستخدام النانو بولومتر، وهو جهاز حساس للغاية يمكنه اكتشاف الأشعة تحت الحمراء حتى مع التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة.
لمن لا يعرف البت الكمومي أو الكيوبت، فهو أصغر وحدة بيانات في الحوسبة الكمومية، مثلما تعتبر البتات أصغر وحدة معلومات في الحواسيب التقليدية.
قياس البتات الكمومية أمر مهم، وإلا لن يتمكن العلماء من معالجة المعلومات في الحاسوب الكمومي، ولن يتمكنوا أيضًا من إجراء الحسابات أو التحقق من أي بيانات في الأنظمة الكمومية إذا لم يكونوا قادرين على قراءتها.
يشير مؤلفو الدراسة: «قياس حالة الكيوبت هو عملية أساسية رئيسية في حاسوب كمومي. فقياس الكيوبت في حاسوب كمومي مطلوب لتحديد النتيجة في نهاية العملية الحسابية، بالإضافة إلى إجراء التصحيح للأخطاء».
العملية التقليدية لقياس الكيوبت:
تُقاس البتات الكمومية حاليًا باستخدام مضخمات بارامترية، وهي أجهزة خاصة تكتشف الإشارات الضعيفة من البتات الكمومية ومن ثم تُكبِّرها لجعل المعلومات قابلة للقراءة. ومع ذلك، فإن هذا النهج يعاني من مشكلات متعددة.
على سبيل المثال، يؤدي تكبير الإشارة إلى إضافة الكثير من التشويش، يُصَعِّب هذا التشويش قراءة البت الكمومي وقد يؤدي إلى قياسات غير دقيقة.
أيضًا، يمكن للمضخمات البارامترية أن تحقق نتيجة عالية وتشويشًا منخفضًا ولكنها تُعاني من تحديات فيما يتعلق بالتوسع إلى أعداد كبيرة من البت الكمومي. تشمل هذه التحديات النطاق الترددي الضيق، وهو ما لا يُرغب فيه في قراءة الكيوبت المتعددة.
عند التعامل مع عدد كبير من البتات الكمومية، يحتاج المستخدم إلى جهاز له طول موجي أوسع حتى يتمكن من اكتشاف وقياس عدة إشارات في وقت واحد.
بالإضافة إلى ذلك، في أثناء قياس كميات كبيرة من المعلومات الكمومية، قد يؤدي التضخيم البارامتري إلى فقدان الإشارة بسبب حجم كبير من التشويش غير المرغوب فيه.
يظهر مؤلفو الدراسة أن النانوبولومتر يمكن أن يتغلب على هذه القيود، فيعمل بديلًا للمضخمات البارامترية، ويحقق قراءة فردية في مرحلة واحدة للكيوبتات المتفرعة.
كيف تعمل النانوبولومترات؟
يمثل التشويش الناتج عن المضخمات البارامترية مبدأ الشك لهايزنبرغ.
إنه مفهوم شائع في الفيزياء الكمومية الذي يقترح أنه لايمكن للشخص أن يحسب بدقة موقع أو سرعة جسيم أو موقع وزخم إشارة أو الفولتية والتيار لجهاز.
كلما كانت معرفة إحدى هذه المتغيرات أدق، كان عدم التحديد أكبر بالنسبة للأخرى في الزوج. لذلك، يمثل التشويش في قراءة البت الكمومي عدم الدقة أو عدم التحديد.
ومع ذلك، فالنانوبولومترات لا تتبع هذا المبدأ. على عكس المضخمات، فهي تكتشف عدد الفوتونات التي تنبعث من البتات الكمومية. لذلك وبطريقة ما، فهي تستشعر القدرة (الفوتونات) والتردد (عدد الفوتونات) ولكن من مصدر واحد.
قال مؤلفو الدراسة: «يتطلب البولوميتر تردد اختبار مستمر واحد فقط مع اثنين من المعلومات -الطاقة والتردد- لتحسين الأداء. لا يقتصر على إضافة ضوضاء كمومية تنبع من مبدأ عدم اليقين، فالضوضاء الفراغية لا تعزز حدوث الأحداث في البولوميتر نظرًا لعدم إمكانية استخراج طاقة من الفراغ».
علاوةً على ذلك، بالمقارنة مع المضخم البارامتري، فإن النانوبولومتر أصغر بمقدار 100 مرة، ويتطلب طاقة أقل بمقدار عشرة آلاف مرة. وسيُجري الباحثون الآن تحسينات على الجهاز لتحسين الأداء.
قال أندراس غونيه، الكاتب الأول للدراسة وباحث دكتوراه في جامعة آلتو: «مع تعديلات طفيفة، يمكن أن نتوقع أن نرى بولوميترات تقترب من الدقة الفردية المطلوبة بنسبة 99.9% في 200 نانو ثانية. يمكننا تحقيق جهاز قياس أصغر وأبسط يجعل توسيع الأعداد الكبيرة من الكيوبتات أكثر فاعلية».
نُشِرَت الدراسة في مجلة نيتشر إليكترونيكس.
اقرأ أيضًا:
باحثون خزنوا بت كمومي لمدة تقارب العشرين ميلي ثانية
رقم قياسي جديد في الحوسبة الكمومية أساسه وحدة معالجة مركزية مؤلفة من ستة كيوبتات
ترجمة: محمد فواز السيد
تدقيق: علي بلوه
