به گزارش ایسنا، در پیشرفتی چشمگیر در زمینه رایانش کوانتومی، پژوهشگران دانشگاه‌های کپنهاگ، بریستول و شرکت «اسپارو کوانتوم» (Sparrow Quantum) با طراحی معماری‌ای مبتنی بر فوتون‌های زمان‌کدگذاری‌شده و نقطه‌های کوانتومی، گامی اساسی در مسیر تحقق رایانه‌ کوانتومی فوتونی مقاوم در برابر خطا برداشته‌اند. این طرح که در سرور پیش‌چاپ arXiv منتشر شده، نه‌تنها مبتنی بر اجزای آزمایشگاهی موجود است، بلکه با رعایت ملاحظات فنی و شبیه‌سازی دقیق خطاها، امیدها برای ساخت سامانه‌ای واقعی و مقیاس‌پذیر را تقویت کرده است.

برخلاف رویکردهای مرسوم که به منابع فوتونی تصادفی متکی‌ هستند، این معماری جدید از منابع قطعی فوتون در قالب نقطه‌های کوانتومی درون موج‌برهای بلور فوتونی استفاده می‌کند. این منابع با بهره‌گیری از پالس‌های لیزری دقیق و چرخش‌های اسپینی، زنجیره‌ای از فوتون‌های درهم‌تنیده در زمان تولید می‌کنند که پایه‌ اصلی محاسبات کوانتومی را شکل می‌دهد.

معماری پیشنهادی بر مدل رایانش کوانتومی مبتنی بر هم‌جوشی (FBQC) استوار است. در این مدل، به‌جای ساخت مدارهای بزرگ و پیچیده، محاسبات از طریق اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیده بر مجموعه‌ای از حالت‌های منبع کوچک انجام می‌شود. به‌این‌ترتیب با استفاده از دروازه‌های هم‌جوشی بازگشتی (RUS) که تا زمان موفقیت تکرار می‌شوند، فوتون‌ها در یک شبکه ماژولار کم‌عمق به‌هم متصل شده و تلفات نوری به‌طرز محسوسی کاهش می‌یابد.

برای اصلاح خطای بلادرنگ، پژوهشگران از ساختار شبکه‌ای موسوم به کد رنگی فلوکه سه‌بعدی (sFFCC) بهره گرفته‌اند. این شبکه‌ پیچیده، خطاهای ناشی از تلفات فوتونی، واپاشی اسپینی و نامتمایز بودن فوتون‌ها را تشخیص داده و اصلاح می‌کند. شبیه‌سازی‌های انجام‌شده نشان داده‌اند که معماری طراحی‌شده، آستانه‌های حیاتی برای تحمل خطا را حتی در شرایط واقعی و پرنویز حفظ می‌کند.

طرح پیشنهادی شامل سه بخش اصلی است:

منابع تولید فوتون درهم‌تنیده (EPS): این منابع مبتنی بر نقاط کوانتومی جاسازی‌شده در موج‌برهای بلوری هستند و قادر به تولید زنجیره‌ای از فوتون‌های زمان‌کدگذاری‌شده‌اند که با حالت اسپینی الکترون درهم‌تنیده‌اند.

مدارهای اندازه‌گیری هم‌جوشی: فوتون‌های تولیدی از طریق سوییچ‌ها و تقسیم‌کننده‌های نوری به دروازه‌های هم‌جوشی هدایت می‌شوند تا در هم‌تنیدگی زوج‌های فوتونی صورت گیرد. عملکرد این مدارها به نتایج آشکارسازی بستگی دارد و در صورت عدم موفقیت، به‌طور بلادرنگ بازپیکربندی می‌شوند.

واحد کنترل کلاسیک: این بخش مسئول هماهنگی کل سیستم، ثبت موفقیت یا شکست هم‌جوشی و ارسال سیگنال‌های کنترلی به منابع فوتونی است. این واحد، عملیات اصلاح خطا و هماهنگ‌سازی سامانه را در مقیاس نانوثانیه انجام می‌دهد.

این مطالعه همچنین الزامات دقیق سخت‌افزاری مانند زمان مرده آشکارسازها، نرخ تکرار پالس‌ها و سرعت سوییچ‌های فاز را مشخص کرده و نشان می‌دهد که بسیاری از این الزامات با فناوری‌های کنونی نقاط کوانتومی قابل تحقق هستند. برای نمونه، این سیستم در کد تصحیح خطای کوچک (با طول L=۳)، تنها به ۵ فازشکن فعال و ۸ تقسیم‌کننده نوری غیرفعال برای هر فوتون نیاز دارد؛ ساختاری بسیار کم‌حجم و کارآمد.

بااین‌حال، این نقشه راه خالی از چالش نیست. مهم‌ترین محدودیت، وابستگی زیاد آن به بلوغ سخت‌افزاری نقاط کوانتومی است. برای دستیابی به عملکرد پایدار، به زمان هم‌دوسی اسپینی بالای ۱۲ میکروثانیه و یکنواختی فوتونی بیش از ۹۶ درصد نیاز است؛ مقادیری که در آستانه توان فناوری فعلی قرار دارند. همچنین اجرای موفق الگوریتم‌های بازگشتی مانند RUS مستلزم کنترل الکترونیکی بسیار سریع و دقیق در مقیاس نانوثانیه‌ای است که نیاز به یکپارچه‌سازی سخت‌افزارهای اپتیکی و الکترونیکی دارد.

پژوهشگران در پایان، مسیرهای آینده برای بهبود عملکرد این معماری را شامل افزایش چرخه‌پذیری نوری، کنترل بهتر اسپین هسته‌ای، کاهش خطای دروازه‌های هم‌جوشی و طراحی تراشه‌های مجتمع نوری می‌دانند. استفاده از فناوری‌های جدید نظیر فوتونیک مبتنی بر نیوبیتات لیتیوم یا نیترید سیلیکون نیز برای کاهش تلفات اپتیکی پیشنهاد شده است.

به‌گفته نویسندگان، این نقشه راه با تکیه بر اجزای آزمایش‌شده و داده‌های تجربی، نخستین گام معتبر برای انتقال رایانش کوانتومی فوتونی از قلمرو نظری به دنیای کاربردی و صنعتی است. با روشن‌ شدن مسیر پیش رو، اکنون تمرکز می‌تواند از پژوهش‌های بنیادی به توسعه مهندسی هدفمند تغییر یابد.

انتهای پیام