هک سرعت کوانتومی: کیوبیت‌های اضافی، زمان اندازه‌گیری را بدون از دست دادن دقت کاهش می‌دهند

محققان راهی برای انجام اندازه‌گیری‌های کوانتومی سریع‌تر بدون کاهش کیفیت با استفاده از کیوبیت‌های اضافی پیدا کردند. روش آنها می‌تواند انقلابی در نحوه عملکرد دستگاه‌های کوانتومی ایجاد کند.

کد خبر: ۱۲۶۲۹۷۰

شنبه - ۲۷ ارديبهشت ۱۴۰۴ / May 17, 2025

به گزارش خبرنگار دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان کوانتومی با ابداع روشی برای سرعت بخشیدن به اندازه‌گیری‌ها بدون از دست دادن دقت، که مانعی کلیدی برای فناوری کوانتومی است، یک مشکل دیرینه را حل کرده‌اند.

آنها با افزودن هوشمندانه کیوبیت‌های اضافی، «فضا» را با زمان معاوضه کردند و بدون بی‌ثبات کردن سیستم‌های کوانتومی شکننده، اطلاعات بیشتری را سریع‌تر جمع‌آوری کردند. این رویکرد نوآورانه، که شامل محققان برتر از چندین دانشگاه بزرگ است، می‌تواند به زودی با داغ شدن رقابت برای برتری کوانتومی، به ابزاری استاندارد تبدیل شود.

پیشرفت جدید در اندازه‌گیری‌های کوانتومی

محققان روش جدیدی را برای سرعت بخشیدن به اندازه‌گیری‌های کوانتومی کشف کرده‌اند - گامی کلیدی در جهت پیشرفت نسل بعدی فناوری‌های کوانتومی.

اندازه‌گیری‌های کوانتومی سریع و دقیق برای دستگاه‌های کوانتومی آینده ضروری هستند. با این حال، سیستم‌های کوانتومی بسیار شکننده هستند؛ حتی اختلالات کوچک در طول اندازه‌گیری می‌تواند خطا‌های قابل توجهی ایجاد کند. تاکنون، دانشمندان با یک بده‌بستان اساسی رو‌به‌رو بودند: آنها می‌توانستند یا دقت اندازه‌گیری‌های کوانتومی را بهبود بخشند یا آنها را سریع‌تر کنند، اما نمی‌توانستند هر دو را به طور همزمان انجام دهند.

اکنون، تیمی از فیزیکدانان کوانتومی، به رهبری دانشگاه بریستول و منتشر شده در Physical Review Letters، راهی برای شکستن این بده بستان پیدا کرده‌اند.

چگونه کیوبیت‌های اضافی تفاوت ایجاد می‌کنند

رویکرد این تیم شامل استفاده از کیوبیت‌های اضافی، واحد‌های بنیادی اطلاعات در محاسبات کوانتومی، برای «مبادله فضا با زمان» است. برخلاف بیت‌های دودویی ساده در رایانه‌های کلاسیک، کیوبیت‌ها می‌توانند به طور همزمان در چندین حالت وجود داشته باشند، پدیده‌ای که به عنوان برهم‌نهی شناخته می‌شود.

در محاسبات کوانتومی، اندازه‌گیری یک کیوبیت معمولاً نیاز به بررسی آن برای مدت زمان نسبتاً طولانی برای دستیابی به سطح بالایی از قطعیت دارد. با این حال، با وارد کردن کیوبیت‌های اضافی در فرآیند اندازه‌گیری، محققان می‌توانند اطلاعات بیشتری را در زمان کمتری جمع‌آوری کنند و اندازه‌گیری را بدون از دست دادن دقت، به طور قابل توجهی تسریع بخشند.

مدار کوانتومی اندازه‌گیری سریع

یک مدار کوانتومی که نتیجه اندازه‌گیری سریعی را برای دو کیوبیت نشان می‌دهد، با نتیجه اندازه‌گیری کند برای یک کیوبیت یکسان است. منبع: کریس کورلت

توضیح مفهوم از طریق یک قیاس روزمره

کریس کورلت، دانشجوی دکترای دانشکده فیزیک دانشگاه و نویسنده اول این مقاله، توضیح داد: «تصور کنید تصویری از دو لیوان آب به شما نشان داده می‌شود - یکی با ۲۵ میلی‌لیتر و دیگری با ۲۰ میلی‌لیتر، و شما باید با نگاه کردن تشخیص دهید که کدام لیوان آب بیشتری در خود دارد. اگر تصویر فقط برای یک ثانیه به شما نشان داده شود، ممکن است برای تشخیص اینکه کدام لیوان پرتر است، مشکل داشته باشید، اما اگر تصویر به مدت دو ثانیه به شما نشان داده شود، می‌توانید با اطمینان بیشتری لیوانی را که آب بیشتری در آن است انتخاب کرده‌اید.»

«در طرح ما، با اضافه کردن یک کیوبیت اضافی، میزان اطلاعاتی که کاوشگر می‌تواند در یک زمان ثابت جمع‌آوری کند را افزایش می‌دهید، بنابراین می‌توانیم در مورد پاسخ خود اطمینان بیشتری داشته باشیم. اضافه کردن کیوبیت مانند دو برابر کردن حجم هر لیوان به ۵۰ میلی‌لیتر و ۴۰ میلی‌لیتر است و تشخیص اینکه کدام یک در مدت زمان کوتاه‌تری پرتر است را به دلیل تفاوت بیشتر بین دو حجم، آسان‌تر می‌کند.»

یکی از مزایای قابل توجه رویکرد ما این است که این رابطه با کیوبیت‌های اضافی ادامه می‌یابد - بنابراین برای مثال، اگر یک کیوبیت سوم اضافه کنید و به طور قیاس، حجم لیوان‌ها اکنون به صورت ۷۵ میلی‌لیتر و ۶۰ میلی‌لیتر ظاهر شود، می‌توانید با اطمینان، تنها در ۰.۶۶ ثانیه بگویید کدام بیشتر است - این شهود پشت راه‌حل ماست.»

کشف مشترک در دانشگاه‌های پیشرو

کریس این موفقیت را با همکاری اساتید راهنمای خود، پروفسور نوح لیندن، استاد فیزیک نظری، و دکتر پاول اسکرشیپچیک، دانشیار فیزیک، به همراه همکارانی از دانشگاه آکسفورد، دانشگاه استراتکلاید و دانشگاه سوربن در پاریس به دست آورد.

نکته قابل توجه این است که فرآیند این تیم اجازه می‌دهد کیفیت اندازه‌گیری حتی با افزایش سرعت آن حفظ شود یا حتی بهبود یابد. این روش می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از پلتفرم‌های سخت‌افزار کوانتومی پیشرو قابل اجرا باشد. با ادامه رقابت جهانی برای ساخت فناوری‌های کوانتومی با بالاترین عملکرد، این طرح پتانسیل تبدیل شدن به یک بخش استاندارد از فرآیند خواندن کوانتومی را دارد.

مرجع: «افزایش سرعت اندازه‌گیری کوانتومی با استفاده از بده‌بستان فضا-زمان» نوشته‌ی کریستوفر کورلت، ایوا چپایته، اندرو جی. دیلی، سیکا گوستیانی، جرارد پلگری، جاناتان دی. پریچارد، نوح لیندن و پاول اسکرشیپچیک، ۲۷ فوریه ۲۰۲۵، Physical Review Letters.

DOI: ۱۰.۱۱۰۳/PhysRevLett.۱۳۴.۰۸۰۸۰۱