کامپیوتر کوانتومی در داخل یک الماس

نارنجی: الماس همیشه مظهر ثروت بوده اما حالا شاید قرار است مظهر تکنولوژی هم باشد: تیمی شامل محققان و دانشمندان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، یک کامپیوتر کوانتومی را در داخل یک الماس جاسازی کرده اند. دلیلی اینکار حفاظت کامپیوتر در مقابل به هم خوردن همدوسی (decoherence) اعلام شده که در نتیجه نویز به وجود می‌آید.

این کامپیوتر کوانتومی تنها شامل دو بیت کوانتومی (که کوابیت خوانده می‌شوند) است که هر کدام از ذرات زیراتمی ساخته شده اند.

این الماس هم مانند همه الماس‌های دیگر دارای ناخالصی است یعنی ماده تشکیل دهنده آن حاوی عناصری به جز کربن است. در این کامپیوتر کیوبیت اول از یک هسته نیتروژن ساخته شده هسته کیوبیت دوم، یک الکترون در نظر گرفته شده است. اسپین این دو ذره به عنوان اطلاعات کیوبیت (وضعیت روشن و خاموش بودن آن‌ها) در نظر گرفته شده‌اند. در حالت کلی الکترون‌ها کوچکتر از هسته‌ها هستند و در نتیجه امکان پردازشی سریعتری فراهم می‌کنند ولی به همین دلیل نیز راحت‌تر تحت تاثیر نویز قرار گرفته، دچار عدم همدوسی می‌شوند.

بسیار از کامپیوترهای کوانتومی که پیش از این ساخته می شدند پایه‌های گازی یا مایع داشتند که باعث می شد توان توسعه آن‌ها در دنیای واقعی مورد شک واقع شود اما این نمونه که از کیوبیت‌های جامد استفاده می‌کند ممکن است نوید بخش امکان پیشرفت این نوع از کامپیوترها شود. البته پیش از این نیز کیوبیت‌های جامد آزمایش شده بودند ولی به دلیل نبود یک سیستم ضد نویز، نتونسته بودند مشکل عدم همدوسی را حل کنند.

تیم برای نشان دادن اینکه این کامپیوتر واقعا کار می کند آن را با الگوریتم گرور (Grover) آزمایش کردند. این الگوریتم که از سال ۱۹۹۶ برای بررسی کامپیوترهای کوانتومی به کار می رود مبتنی بر جستجو روی پایگاه داده‌های مرتب نشده است؛ چیزی شبیه به اینکه یک شماره تلفن داشته باشید و در دفتر تلفن کاغذی به دنبال صاحب آن بگردید.

در یک کامپیوتر معمولی ممکن است در لحظه اول این شماره را کشف کنید یا در آخرین آزمایش ممکن و بعد از اینکه همه شماره های دیگر را ورق زده‌اید و نگاه کرده‌اید. اگر بی نهایت اینکار را تکرار کنید، به طور متوسط باید بعد از آزمایش نصف شماره های موجود در دفتر، صاحب تلفن را بیابید. به عبارت ریاضی اگر X شماره در دفتر باشد و شما تعداد بیشماری شماره را آزمایش کنید باید به طور متوسط بعد از X/2 تلاش شماره را پیدا کنید.

اما اصلی در مکانیک کوانتوم وجود دارد به نام Superposition که می گوید یک ذره می‌تواند تا وقتی سنجیده نشده در یک لحظه خاص در همه حالت‌های ممکنش باشد. یک کامپیوتر کوانتومی با اتکا به همین اصل - در یک لحظه و پیش از مشاهده شدن - می‌تواند در همه جای دفتر تلفن باشد پس منطقا یک کامپیوتر کوانتومی باید بتواند در همان حرکت اول و بسیار سریعتر از یک کامپیوتر معمولی صاحب شماره تلفن در دفترتلفن را پیدا کند.

اگر بر اساس محاسبات دو پاراگراف قبل یک کامپیوتر معمولی با داشتن ۴ امکان مختلف در حالت متوسط نیاز به ۲ تلاش برای رسیدن به جواب داشته باشد، یک کامپیوتر کوانتومی باید بتواند در همه تلاش هایش در همان حدس اول جواب صحیح را ببیند. نتیجه دلگرم کننده برای محققان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی این بود که کامپیوتر کوانتومی جامد شیلد شده با الماسشان توانست در ۹۵ درصد موارد انتخاب صحیح را در همان حدس اول انجام بدهد که این به معنی موفقیت نسبی آنان در طراحی است.