الحوسبة الكمومية ذات الفوتونات المفردة تقترب من الواقع

أحد الأساليب الواعدة للحوسبة الكمومية القابلة للتطوير هو استخدام بنية بصرية بالكامل، حيث يتم تمثيل الكيوبتات بواسطة الفوتونات، ويتم التحكم فيها بواسطة المرايا ومقسمات الأشعة. حتى الآن، أثبت الباحثون هذه الطريقة، التي تسمى الحوسبة الكمية البصرية الخطية، على نطاق صغير جدًا من خلال إجراء عمليات باستخدام عدد قليل من الفوتونات فقط. في محاولة لتوسيع نطاق هذه الطريقة لتشمل أعدادًا أكبر من الفوتونات، طور الباحثون في دراسة جديدة طريقة لدمج مصادر الفوتون الواحد بشكل كامل داخل الدوائر الضوئية، وإنشاء دوائر كمومية متكاملة قد تسمح بحسابات كمومية بصرية قابلة للتطوير.

قام الباحثون، إيمان إسماعيل زاده، وعلي الشاعري، والمؤلفون المشاركون، بنشر ورقة بحثية عن الدوائر الكمومية المتكاملة في العدد الأخير من مجلة رسائل النانو.

كما يوضح الباحثون، فإن أحد أكبر التحديات التي تواجه تحقيق نظام فعال للحوسبة الكمومية الضوئية الخطية هو دمج العديد من المكونات التي عادة ما تكون غير متوافقة مع بعضها البعض على منصة واحدة. تتضمن هذه المكونات مصدرًا أحادي الفوتون مثل النقاط الكمومية؛ أجهزة التوجيه مثل الأدلة الموجية؛ أجهزة للتلاعب الفوتونات مثل التجاويف، والمرشحات، وبوابات الكم؛ وكاشفات الفوتون الواحد.

في الدراسة الجديدة، أظهر الباحثون بشكل تجريبي طريقة لدمج نقاط كمومية أحادية الفوتون داخل أسلاك نانوية، والتي بدورها تكون مغلفة في دليل موجي. وللقيام بذلك بالدقة العالية المطلوبة، استخدموا "أداة معالجة نانوية" تتكون من طرف تنغستن لنقل المكونات ومواءمتها. وبمجرد دخولها إلى الدليل الموجي، يمكن اختيار فوتونات مفردة وتوجيهها إلى أجزاء مختلفة من الدائرة الضوئية، حيث يمكن في النهاية إجراء العمليات المنطقية.

وقال زاده، من جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا: "لقد اقترحنا وأظهرنا حلاً هجينًا للبصريات الكمومية المتكاملة التي تستغل مزايا مصادر الفوتون الفردي عالية الجودة مع الضوئيات المتطورة القائمة على السيليكون". Phys.org. "بالإضافة إلى ذلك، هذه الطريقة، على عكس الأعمال السابقة، هي حتمية تمامًا، أي أن المصادر الكمومية ذات الخصائص المحددة فقط هي التي يتم دمجها في الدوائر الضوئية.

"يمكن أن يكون النهج المقترح بمثابة بنية تحتية لتنفيذ دوائر بصرية كمومية متكاملة قابلة للتطوير، والتي لديها إمكانات للعديد من التقنيات الكمومية. علاوة على ذلك، توفر هذه المنصة أدوات جديدة للفيزيائيين لدراسة التفاعل القوي بين الضوء والمادة في المقاييس النانوية والتجويف QED [الديناميكا الكهربائية الكمومية]."

أحد أهم مقاييس الأداء للحوسبة الكمية الضوئية الخطية هو كفاءة الاقتران بين مصدر الفوتون الواحد والقناة الضوئية. تشير الكفاءة المنخفضة إلى فقدان الفوتون، مما يقلل من موثوقية الكمبيوتر. يحقق الإعداد هنا كفاءة اقتران تبلغ حوالي 24% (والتي تعتبر جيدة بالفعل)، ويقدر الباحثون أن تحسين تصميم الدليل الموجي والمواد يمكن أن يحسن ذلك إلى 92%.

بالإضافة إلى تحسين كفاءة الاقتران، يخطط الباحثون أيضًا في المستقبل لإثبات التشابك على الرقاقة، بالإضافة إلى زيادة تعقيد الدوائر الضوئية والكاشفات أحادية الفوتون.

قال الشاعري من جامعة دلفت للتكنولوجيا والمعهد الملكي للتكنولوجيا (KTH) في ستوكهولم: "في النهاية، الهدف هو إنشاء شبكة كمومية متكاملة تمامًا على الرقاقة". "في هذه اللحظة، هناك الكثير من الفرص، ولم يتم استكشاف هذا المجال بشكل جيد، ولكن ضبط المصادر على الرقاقة وتوليد فوتونات لا يمكن تمييزها هي من بين التحديات التي يجب التغلب عليها."