لا يمكن تجاوز حد هايزنبرغ ، ولكن إذا قمت بحسابه بعناية ، فيمكنك الاقتراب منه
تعتمد الحوسبة الكمومية على التحكم في حالات الكم. في الآونة الأخيرة ، ظهرت المزيد والمزيد من الأخبار حول كيفية حساب أجهزة الكمبيوتر الكمومية لشيء ما ، والقدرة على التحكم في أجهزة الكمبيوتر هذه أمر مسلم به. ولكن في الواقع ، لا يزال هذا التحكم بمثابة عامل مقيد لتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
في قلب هذا الموضوع كله توجد
كوبيتات ، كائنات كمية تستخدم لترميز المعلومات. يأتي جزء من إمكانات الكمبيوتر الكمومي من حقيقة أنه يمكن نقل الكيوبت إلى حالة تراكب ، مما يسمح بتنظيم الحسابات المتوازية. الهدف من الخوارزميات الكمومية هو معالجة حالات تراكب الكوبيت بطريقة تجعل عند قياس كويبت ، قيمة ثنائية تتوافق مع الإجابة الصحيحة.
وهذا يعني مراقبة حالة التراكب ، التي تنطوي على معدات عالية الدقة ومكلفة للغاية. عادة ما تتكون التحسينات في حقيقة أن المعدات تصبح أرخص. لكن
دراسة جديدة تشير إلى أننا قد نكون قادرين على تحسين التحكم بعامل 1000 ، باستخدام المعدات الموجودة والحيل العبقرية.
لفهم مشكلة التحكم ، تحتاج إلى فهم القليل عن التراكب. عند وصف حالات التراكب الكمي ، نستخدم عادة بعض الاصطلاحات ونقول شيئًا مثل: "هذا يعني أن الجسيم في حالتين في نفس الوقت."
ولكن لأغراضنا هذه ليست كافية ، ويبدو لي أنها مربكة على أي حال. للجسم الكمي العديد من الخصائص القابلة للقياس. وبينما لا يتم قياس هذه الخاصية ، على سبيل المثال ، الموضع ، إلا أنها لا قيمة لها. يجب أن نفكر في الاحتمالات: إذا كان علينا أن نقيس ، ما هو احتمال الحصول على قيمة معينة؟
هذا بشكل عام. وعلى وجه الخصوص ، تم الكشف عن المفهوم غير المعتاد للغاية لـ "دالة الموجة" ، وهو أيضًا "اتساع الاحتمال". الاحتمال دائمًا موجب أو صفري وحقيقي ، لكن السعة يمكن أن تكون موجبة أو سلبية أو حتى معقدة. وذلك يغير كل شيء.
لنفترض أن لدينا جسيم منفصل ، ونقوم بتصويره على الشاشة بفتحتين. يمكن أن يمر الجسيم عبر أي من الفتحات أو يدخل إلى الشاشة. على الجانب الآخر من الشاشة ، سنضع الكاشف ونطرح على أنفسنا السؤال التالي: "ما هو احتمال اكتشاف الجسيم؟"
للقيام بذلك ، نحتاج إلى إضافة وظائف الموجة لكل مسار يمكن للجسيم أن ينتقل إلى الكاشف. يمكن أن يكون الاتساع إيجابيًا أو سلبيًا ، لذا فإن مجموعهم لن يكون دائمًا أكبر. يمكن أن تصبح حتى صفر.
إذا قمنا بحساب العديد من المواضع المختلفة الممكنة للكاشف ، فسوف نجد العديد من الأماكن التي يكون فيها الاحتمال صفرًا ، والعديد من الأماكن ذات الاحتمال المتساوي. إذا أجريت مثل هذه التجربة ، فهذا ما ستقيسه. بعد مرور ألف جسيم منفصل عبر الشقوق ، ستفتح أماكن لم يتم العثور عليها من قبل ، وأماكن تم العثور عليها بانتظام.
ما الذي أؤدي إليه؟ في ميكانيكا الكم ، للتنبؤ بالنتائج بدقة ، من الضروري معرفة جميع الطرق الممكنة التي يمكن أن يصل بها الجسيم إلى مكان معين. لذا في مثالنا ، علينا أن نفكر في كلتا الطريقتين لكاشفنا. وبسبب هذا ، غالبًا ما يقول الناس أن الجسيم يمر عبر الشقين في نفس الوقت.
لكن إضافة وظائف الموجة تحدد مكان اكتشاف الجسيم وأين لا يمكنك العثور عليه. لذا إذا قمت بتغيير أحد المسارات التي يمكن أن يمر بها الجسيم ، فعندئذ يمكنك تغيير السعات وبالتالي تغيير الأماكن التي يمكن فيها اكتشاف الجسيم.
باستخدام التراكب
لذا فإن احتمال قياس القيمة يعتمد على تاريخ الموجة الاحتمالية. يتضمن هذا كافة المسارات الممكنة. ويمكن تحويله إلى مستشعر رائع. ونستخدم هذه الدائرة حقًا لقياس مرور الوقت بحساسية شديدة. كما أنه يعمل بشكل جيد لقياس الخصائص الأخرى.
مثال شائع هو جهاز استشعار المجال المغناطيسي. يمكن اعتبار الإلكترون مغناطيسًا صغيرًا. سوف يصطف مغناطيس الإلكترون في مجال مغناطيسي إما في اتجاه الخطوط أو ضدها. لذلك ، يمكننا أن نجعل الإلكترون في حالة تراكب ، حيث يتم محاذاة على طول الخطوط وضدها. يغير المجال المغناطيسي وظيفة الموجة لحالتين ، وتعتمد قوة التغييرات على قوة المجال المغناطيسي.
بعد المرور بمجال مغناطيسي ، نقيس اتجاه مغناطيس الإلكترون. القياس الوحيد لا يخبرنا بأي شيء ، ولكن بعد ألف إلكترون سيكون لدينا احتمالات نسبية للتوجهين. بناءً على ذلك ، يمكننا حساب قوة المجال المغناطيسي.
من حيث المبدأ ، يمكن أن يعمل مستشعر دقيق للغاية بهذه الطريقة. شيء واحد فقط يزعج: الضجيج. يعتمد معنى وظائف الموجة على المسار الذي تختاره (ولكن ليس بالضرورة على المسافة التي تقطعها). يتغير هذا المسار بشكل غير متوقع تحت تأثير البيئة المحلية ، لذا فإن كل إلكترون سيكون في الواقع قياسًا لتأثير المجال المغناطيسي الذي يهمنا ، بالإضافة إلى مساهمة الضوضاء. وهذه المساهمة تختلف لكل إلكترون. إذا كان الضجيج قويًا جدًا ، فسيتعادل كل شيء وستكون لنتائج القياس نفس الاحتمالات.
لا يمكن تقليل الضوضاء. لذلك ، للحصول على قياس جيد ، من الضروري جعل الإلكترون أقل حساسية للتقلبات العشوائية وأكثر حساسية للإشارة.
زيادة الحساسية
في حالة قياس الإشارات المعتمدة على الوقت ، تحتاج إلى ركلة الإلكترون بشكل دوري بشدة. في حالة عدم وجود ركلات أو أي ضوضاء ، يتغير احتمال إلكترون بسلاسة مع مرور الوقت. يضيف الضجيج قفزات إلى هذه التغييرات. يبدو أن الموجة تقفز للأمام أو للخلف في الوقت الذي لا تلاحظه.
لكننا لسنا بحاجة إلى قفزات صغيرة ، فسوف تتداخل مع الإشارة. بدلاً من ذلك ، تحتاج إلى ضرب الإلكترون بمضرب بيسبول كمومي ، مما يخلق قفزة كبيرة بما يكفي يمكنها تبديل وظائف الموجة لنتيجتين محتملتين (وهذا ما يسمى نبضة π). إذا قمت بذلك على فترات منتظمة ، فإن التأثير يلغي كل التغييرات التي ظهرت أثناء تشغيل هذا الفاصل الزمني بسبب الضوضاء.
لذلك إذا لم تكن هناك إشارة ، وكان هناك ضوضاء فقط ، فلن تجد تغييراً في الاحتمال. ولكن إذا تأرجح المجال المغناطيسي بتردد ثابت (أو ، على نحو أدق ، يتسبب في تأرجح الكيوبت مع هذا التردد) ، فسوف تتراكم التغييرات في وظيفة الموجة.
يعمل هذا فقط إذا تغيرت الإشارات خلال فترة تساوي الفترات الفاصلة بين الركلات. في الواقع ، نحصل على مرشح ضيق جدًا (يمكن للأشخاص المهتمين بالإلكترونيات في هذا الوصف التعرف على
مضخم متزامن ).
وعلى الرغم من أن الفلتر ضيق بما يكفي ليكون قابلاً للاستخدام ، فلا يمكن تغييره بسلاسة في التردد ، لذلك لا يمكننا مسح الترددات المختلفة. المشكلة تكمن في التكنولوجيا. غالبًا ما يحتوي مضرب البيسبول الكمومي على نبض ميكروويف. يجب إنشاء هذه النبضات بطريقة أو بأخرى ، ويمكن لمولد إشارة جيد تحديث إشارات الإخراج كل ثانية نانوية. وهذا يعني أنه يمكن تغيير الفاصل الزمني بين النبضات (وطول كل نبضة) بمقدار نانو ثانية واحدة فقط.
تخيل أنك تحتاج إلى قياس تردد واتساع المجال المغناطيسي المتناوب. أنت تعلم أن المجال المغناطيسي يتغير بتردد بترتيب 5 ميجا هرتز (وهذا يعني أنه في 100 نانوثانية ينتقل المجال من قيمة موجبة تمامًا إلى قيمة سلبية تمامًا). لكنك لا تعرف ترددها بالضبط. للعثور على المجال المغناطيسي ، يمكنك زيادة فاصل النبضات خطوة بخطوة لتغطية الفجوة الكاملة التي تهتم بها. ولا تجد أي شيء. لماذا؟ لأن تواتر التغييرات في المجال المغناطيسي يقع بين أصغر خطواتك الممكنة.
تحدث نفس المشكلة مع التحكم qubit. في جهاز يحتوي على عدة وحدات كيو بايت ، كل منها مختلف قليلاً ويجب التحكم فيه بمجموعة مختلفة قليلاً من نبضات الميكروويف. ولا تسمح دقة أداتنا بتحسينها بشكل جيد بما فيه الكفاية.
للتغلب على هذا ، اتضح أنك بحاجة إلى أن تكون أكثر مهذبة مع الإلكترون. بدلاً من استخدام مضرب بيسبول باستمرار ، ندفع الإلكترون بلطف. لنبضة الميكروويف اللطيفة تأثير مثير للاهتمام في زيادة الدقة الزمنية للنبضات. ونتيجة لذلك ، نحصل على دقة تردد أعلى (وتحكم أفضل في الكيبات).
تقريب زوايا مربع
في نبضة التشغيل / الإيقاف ، يكون لسعة المولد قيمتين فقط. في نبض متزايد وناقص بسلاسة ، يمكنك استخدام مقياس سعة المولد بالكامل لتغيير الوضع المركزي لكل نبضة بقيمة أقل بكثير من نانو ثانية واحدة. في الواقع ، تحسب الطبيعة مركز الزخم باستخدام الاستيفاء ، حتى لو لم ينتج مولده قيمة مركزية.
ونتيجة لذلك ، يمكن لمولد النبض بمحول رقمي إلى تناظري 14 بت ودقة زمنية تبلغ 1 نانوثانية تغيير الوقت بين مراكز النبض بمقدار 1 بيكو ثانية. وهذا تحسن ألف مرة.
وقد أظهر الباحثون أن هذا يعمل عن طريق إجراء التحليل الطيفي للمجالات المغناطيسية المطبقة على حلقات فائقة التوصيل. ثم طبقوا نفس التكنولوجيا لقياس تردد
الرنين المغناطيسي النووي لذرة كربون واحدة (نظير
13 درجة مئوية ثقيل) في الماس. في كلتا الحالتين ، كانوا قادرين على قياس القيم بدقة أعلى بكثير مما هو ممكن مع معداتهم.
أليست الطبيعة غريبة؟
هذا الإنجاز مدهش للغاية. في الواقع ، أخذ
الباحثون جزءًا من المعدات التي يمكن العثور عليها في أي مختبر ، واستخدموها بشكل مختلف قليلاً. والنتيجة هي شيء لا يمكن القيام به إلا مع مولدات النبض في المستقبل.
ولكن على الرغم من أنني أحصل على النتائج وأتفهم المنطق ، ما زلت لا أفهم تمامًا كيف يعمل هذا. الطبيعة لا تستقلب كما نفعل - على الأقل لا أعتقد ذلك. يرسل الإلكترون أو أي كائن كمي محدد نبضة كما هي: مجموعة من الفولتية المنفصلة تتزايد وتنخفض في خطوات ثابتة لفترات زمنية محددة. لا يمكن تمييز مركز الدافع بشكل سحري من خلال تتبع خط وهمي بين نقاط ثابتة.
أعتقد أن شيئًا يسمى "منطقة الزخم" (جزء لا يتجزأ من الزخم ، أو حرفيا المنطقة تحت المنحنى) يلعب دورًا هنا. يمكن تعريف مركز النبض بأنه الوقت الذي يصل فيه التكامل إلى النصف. بالنسبة للنبضة ذات السعة المتغيرة بسلاسة ، يمكن أن تتغير التغييرات الصغيرة في شكل النبض ، ويمكن تحقيق هذه القيمة لنصف المسار بطريقة محكومة.
لكنني لست مقتنعًا بأن كل شيء يعمل بهذه الطريقة. المفتاح موجود في المنطقة ، وللحصول على دفعة مستطيلة ، يمكن للمنطقة أن تتغير باستمرار ، حتى لو كانت الخطوات الزمنية قاسية للغاية. تحتاج فقط إلى تغيير سعة القيمة "تشغيل" للنبضة المستطيلة.
لكن هذه التكنولوجيا ستكون مفيدة للكثيرين. يحتاج الأشخاص الذين يدرسون الحوسبة الكمومية إلى التحكم في حالة التراكب ، وهذا هو ما تتطلبه التكنولوجيا. والآن يجب أن يكونوا قادرين على التحكم في الحالات الكمية بدقة أكبر ، مما يعني أن المعلومات الكمية المخزنة ستستمر لفترة أطول ويمكن إجراء المزيد من الحسابات. وبهذا المعنى ، فإن مثل هذه التكنولوجيا تمثل خطوة مهمة إلى الأمام.
وذات يوم يمكنني حتى أن أفهم لماذا تعمل بشكل أفضل مما أعتقد.