إن تي تي: تحقيق مصدر الضوء الكمي المعياري في سبيل إنشاء الحواسيب الكمية الضوئية العالمية واسعة النطاق التي تتحمل الأعطال

(بزنيس واير): قامت شركة "إن تي تي" (المشار إليها فيما يلي بـ "إن تي تي"، الرئيس والرئيس التنفيذي: يون ساوادا، مدينة تشيودا، طوكيو) (المُدرجة في بورصة طوكيو تحت الرّمز: TOKYO:9432) بالتعاون مع كلّ من جامعة طوكيو (الرئيس: تيروو فوجي، مدينة بونكيو، طوكيو) و"رايكن" (الرئيس: هيروشي ماتسوموتو، مدينة واكو في سايتاما) بتطوير مصدر ضوء كمي مقترن بالألياف الضوئية (مصدر ضوء مضغوط) (*1)، والذي يُعدّ تقنية رئيسيّة تهدف لإنشاء حاسوب كمي بصري عالمي واسع النطاق ويتحمل الأعطال.

هذا وتُجرى أبحاث كثيرة متمحورة حول الحواسيب الكمية ويتم تطويرها عالمياً بفضل ما تتمتّع به من قدرات على إجراء معالجة حوسبية متوازية باستخدام ظواهر ميكانيكا الكم الفريدة، على غرار حالات التراكب الكمي وحالات التشابك الكمي. وبينما يتم البحث عن أساليب عدّة، يتمتّع الحاسوب الكمي البصري الذي يستخدم الفوتونات بمزايا كثيرة. إذ لا يتطلّب، على سبيل المثال، درجة الحرارة المنخفضة ومعدات التفريغ التي تتطلبها سائر الحواسيب الأخرى، الأمر الذي يجعله حاسوباً مضغوطاً. بالإضافة إلى ذلك، يمكن زيادة عدد الكيوبت بسهولة بدون تكامل دقيق للدوائر أو موازاة المعدات، وذلك من خلال إنشاء حالة تشابك كمي ذات إرسال متعدد بتقسيم الزمن. كما يُمكن إجراء معالجة حوسبية عالية السرعة بفضل طبيعة الضوء ذي النطاق العريض. علاوة على ذلك، تم إثبات من الناحية النظرية إمكانية تصحيح الخطأ الكمي عبر استخدام المتغيرات المستمرة للضوء التي تستفيد من تكافؤ الفوتونات، عوضاً عن استخدام المتغيرات المنفصلة التي تستخدم وجود الفوتونات أم لا. وتتمتّع هذه الطريقة بتوافق عالٍ مع تقنيات الاتصالات الضوئية على غرار الألياف الضوئية منخفض الفقد والأجهزة البصرية التي تعمل بكفاءة عالية، ما يحرز تقدماً هائلاً نحو بناء حواسيب كمية بصرية عالمية واسعة النطاق وتتحمل الأعطال.

ويُعدّ الضوء الكمي الذي يولد ضوءاً مضغوطاً أحد أهم المكوّنات للحصول على حواسيب كمية بصرية، وهو يشكّل أيضاً مصدر الطبيعة الكمية في الحواسيب الكمية البصرية. ومن الأفضل أن يتم استخدام مصدر الضوء الكمي المقترن بالألياف الضوئية. كما يُعدّ الضوء المضغوط ضوءاً غير كلاسيكي يحتوي على عدد زوجي من الفوتونات والضوضاء الكمية المضغوطة ويتم استخدامه لتوليد التشابك الكمي. بالإضافة إلى ذلك، يضطلع الضوء المضغوط بدور مهم للغاية في تصحيح العطل الكمي، إذ بات هذا الأخير ممكناً من خلال استخدام التكافؤ في عدد الفوتونات. وبهدف الحصول على حاسوب كمي بصري عالمي واسع النطاق ويتحمل الأعطال، نحن بحاجة إلى مصدر ضوء مضغوط مقترن بالألياف مع ضوضاء كمية مضغوطة بشدة وتكافؤ في عدد الفوتونات يتم الحفاظ عليه حتى في المكونات التي تحتوي على عدد كبير من الفوتون. على سبيل المثال، ثمة حاجة إلى وجود مستوى ضغط يزيد عن 65 في المائة لإنشاء تشابك كمي متعدد في المجال الزمني (حالات مجمّعة ثنائية الأبعاد) (*2) يمكن استخدامها للحسابات الكمية واسعة النطاق. غير أنّه لم يتم أبداً تطوير أي أجهزة مماثلة بسبب صعوبة توليد الضوء المضغوط بجودة عالية.

وقمنا في هذه الدراسة بتطوير مصدر ضوء كمي جديد مقترن بالألياف الضوئية يعمل بالطول الموجي المُقسّم للاتصالات الضوئية. ومن خلال دمجها مع مكونات الألياف الضوئية، نجحنا للمرة الأولى في توليد ضوء مضغوط ذو موجة مستمرة مع أكثر من 75 في المائة من الضوضاء الكمية المضغوطة وأكثر من 6 تيرا هرتز من التردد الجانبي حتى في نظام مغلق من الألياف الضوئية. ويعني ذلك أنه تم استخدام الجهاز الرئيسي في الحواسيب الكمية البصرية بشكل متوافق مع الألياف الضوئية مع الحفاظ على طبيعة الضوء ذي النطاق العريض. وسيمكن ذلك من تطوير حاسوبٍ كمي بصري في نظام مستقر لا يتطلّب الصيانة باستخدام الألياف الضوئية وأجهزة الاتصال البصرية. وسيؤدي بالتالي إلى تقدّم كبير في تطوير الحواسيب الكمية البصرية كبيرة الحجم بحجم الراك.

هذا وسيتم نشر نتائج هذا البحث في المجلة العلمية الأمريكية رسائل الفيزياء التطبيقية "أبلايد فيزيكس ليتيرز" في 22 ديسمبر 2021 (بتوقيت الولايات المتحدة). كما تم اختيار هذا البحث كأفضل بحث من "اختيار المحرر". وتجدر الإشارة إلى أنّ جزءاً من البحث مدعوم من قبل برنامج "مونشوت" للبحث والتطوير التابع للوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا ("جاي إس تي").

(النقاط)

• قمنا بتطوير وحدة مصدر ضوء مضغوط عالية الأداء مقترنة بالألياف الضوئية، والتي ستشكّل أداةً رئيسية لإنجاز حاسوب كمي بصري بقياس الراك.
• باستخدام وحدة مصدر الضوء الكمي المطورة والمقرنة بالألياف الضوئية وأجهزة الاتصال البصري، تم بنجاح للمرة الأولى إنشاء ضوء مضغوط ذو موجة مستمرة مع ضوضاء كمية مضغوطة تزيد نسبتها عن 75 في المائة في عرض نطاق عريض يزيد عن 6 تيرا هرتز في نظام مغلق من الألياف الضوئية.
• يسمح هذا الإنجاز بتطوير حاسوب كمي بصري على نطاق واقعي في نظام بصري مستقر لا يتطلّب الصيانة باستخدام أجهزة اتصالات بصرية وسيعمل بشكل كبير على تطوير حاسوب كمي بصري عالمي واسع النطاق ويتحمل الأعطال.

[الخلفيّة]

يجري البحث والتطوير بنشاط في جميع أنحاء العالم للحصول على حاسوب كمّي عالميّ. وفي الآونة الأخيرة، تمّ الإبلاغ عن الحوسبة الكميّة مع 100 كيوبت فيزيائيّة تستخدم دوائر فائقة التوصيل. ومع ذلك، وللحصول على حاسوب كميّ عالميّ قادر على تحمّل الأعطال، يتطلّب الأمر حوالى مليون كيوبت فيزيائية. لذلك أصبحت زيادة عدد الكيبوبتات الفيزيائيّة تشكّل تحدياً كبيراً في الحوسبة الكميّة. وللحصول على مليون كيوبت عن طريق الدوائر فائقة التوصيل أو الأيونات المحتجزة، تمّ اتباع طرق لزيادة عدد الكيوبتات من خلال دمج عناصرها مع المعدات الموازية. ومن ناحية أخرى، من المتوقع أن يكون الحاسوب الكمّي الضوئيّ قادراً على إجراء حوسبة كمّية عالميّة ذات نطاق واسع بشكل كبير تستخدم تقنية قابلية التجميع في المستوى الزمني (*3) والمعالجة الكميّة الناجمة عن القياس (*4)، وهو نهج مختلف تماماً عن الأساليب التقليديّة. في تقنيّة قابلية التجميع في المستوى الزمنيّ، نقسم الضوء المتطاير باستمرار إلى مقاطع زمنيّة ونضع المعلومات على نبضات الضوء المنفصلة. بهذه الطريقة، يمكننا بسهولة زيادة عدد الكيوبتات على محور الوقت من دون زيادة حجم المعدّات (الشكل 1). علاوة على ذلك، ثبت من الناحية النظرية إمكانية تصحيح الخطأ الكميّ باستخدام عدد متكافئ من الفوتونات والمتغيرات المستمرة للضوء. وباستخدام ألياف ضوئية منخفضة الفقد كوسيط انتشار لتحليق كيوبتات ضوئيّة، ستكون حالات التشابك الكميّة واسعة النطاق قادرة على التوليد بحريّة وثابتة بالاقتران مع أجهزة الاتصالات الضوئيّة. وتحديداً، مع أربعة مصادر ضوء مضغوطة فحسب واثنين من الألياف الضوئيّة ذات أطوال مختلفة (خطوط تأخير ضوئيّ)، وخمسة مقسمات شعاع (الشكل 2)، يمكن إنشاء حالات مجمعة ثنائيّة الأبعاد وذات نطاق واسع ضرورية للحوسبات الكميّة الشاملة. وهذا نهج لا يتطلّب بالضرورة تكاملاً أو معدّات ذات نطاق واسع، ويجعل من الممكن الحصول على حوسبة كميّة عالميّة على مقياس حامل المعدات الواقعي، في حين تتطلب الطرق التي تستخدم الدوائر فائقة التوصيل أو الأيونات المحتجزة تكامل العناصر أو موازاة المعدّات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه الطريقة إجراء حسابات عالية السرعة من خلال الاستفادة من التردد العالي للضوء. وهذا يعني أنه لا يمكن تنفيذ خوارزميات كميّة عالية السرعة فحسب، بل يمكن أيضاً أن تكون ترددات الساعة عالية، الأمر الذي من شأنه جعل الحواسيب الكميّة الضوئية التقنية المعالجة للمعلومات ذات السرعة الفائقة. 

لغاية الآن، أظهرنا الكثير من العمليات الكميّة الضوئيّة للحصول على هذا الحاسوب الكميّ الضوئيّ باستخدام نظام ضوئيّ مكانيّ يتكوّن من العديد من المرايا المتراصفة بدقّة عالية. وهذا لتقليل الفقد الضوئيّ للضوء وتعزيز التداخل بين الضوء قدر الإمكان. ومع ذلك، إذا كانت المرايا غير متراصفة ولو بشكل طفيف، فلن تتحقق الخصائص المطلوبة ولا بد من إعادة ضبط مسار الضوء لكل تجربة. لهذه الأسباب، ولتحقيق الاستخدام العمليّ للحاسوب الكميّ الضوئيّ، يجب استخدام نظام ضوئيّ مغلق أمام الدليل الموجيّ الضوئيّ، مثل دائرة متكاملة ضوئيّة أو ألياف ضوئيّة تتمتع بثبات تشغيليّ ولا تحتاج إلى صيانة. إنّ العنصر الأساسي في الحواسيب الكميّة هو الضوء المضغوط بشكل خاصّ. يحتوي هذا الضوء غير الكلاسيكي على ضوضاء كمّ مضغوطة لِسِعة موجة أو طورها. وهو زوج غير تبادليّ من الكميات الفيزيائيّة. نظراً لصعوبة توليد هذا الضوء وإمكانية تحلله بسهولة نتيجة الفقد الضوئيّ، فإنّ الضوء الآتي من مصدر الضوء المرتبط بالألياف الضوئيّة يميل إلى أن يكون ضعيفاً. على نحو استثنائيّ، لم يتم الحصول على أكثر من 65 في المائة من الضوء المضغوط، وهو أمر ضروريّ لتوليد حالة التشابك الكميّ على نطاق واسع متعدد الإرسال (حالات الكتلة الثنائية الأبعاد) مع بنية مغلقة من الألياف الضوئيّة.

[تطوّر تقنيّ]

قمنا بتطوير وحدة  مصدر ضوء كميّة مقترنة بالألياف المنخفضة الفقد (وحدة تكبير بارامترية ضوئية) (الشكل 3). وقد حققنا فقداً منخفضاً من خلال تجديد طريقة تصنيع نيوبات الليثيوم المصقول دورياً ("بيه بيه إل إن") ذي الدليل الموجي، وهو الجزء الرئيسي من الوحدة. تمّ تجميع الوحدة النمطية كوحدة نمطية مقترنة بالألياف الضوئيّة منخفضة الفقد باستخدام تقنية تجميع أجهزة الاتصالات الضوئيّة التي طورتها شركة "إن تي تي". في أثناء توصيل مكونات الألياف الضوئيّة، نجحنا في قياس الضوء المضغوط الذي يتم فيه ضغط ضوضاء الكم إلى أكثر من 75 في المائة بنطاق ترددي يزيد عن 6 تيراهيرتز (الشكل 4). وهذا يعني أنّه يمكن إنشاء الحالات الكميّة المطلوبة للحوسبة الكميّة الضوئيّة وقياسها حتى في نظام مغلق بالكامل في الألياف الضوئيّة. لذلك، فإنّ مصدر الضوء الكميّ المطوّر المقترن بالألياف، سيمكننا من الحصول على حاسوب كميّ ضوئي ثابت ولا يحتاج إل صيانة على نطاق واقعي؛ الأمر الذي سيعزّز التطور المستقبلي المتقدّم بشكل كبير.

في هذه التجربة، استخدمنا طريقة جديدة تولد فيها الوحدة الأولى ضوءاً مضغوطاً وتحوّل الوحدة الثانية معلومات الكم الضوئية إلى معلومات ضوئية كلاسيكية. تمّ تطوير المضخّم الضوئيّ كمصدر للضوء ويستخدم في الاتجاه المعاكس لتحقيق التضخيم الضوئي الذي يحافظ على تماثل رقم الفوتون. وعلى عكس تقنية الكشف عن التماثل المتوازن التقليدية، يمكن لطريقة القياس هذه تضخيم الإشارة الكميّة وتحويلها إلى إشارة ضوئيّة كلاسيكيّة من دون تغييرها إلى إلكترونات. وبفضل هذه الطريقة، فإنّ قياسات سريعة للغاية تكون متاحةً. يمكن استخدام هذه التقنية للحصول على جميع الحواسيب الكميّة الضوئيّة في المستقبل، وستساهم بشكل كبير في تحقيق جميع الحواسيب الكميّة الضوئيّة التي تعمل بترددات ساعة تيراهيرتز وسريعة للغاية.

[الأعمال المستقبليّة]

كخطوة أولى، سنعمل على تطوير حاسوب كميّ ضوئيّ مؤلّف من مكوّنات ألياف ضوئيّة إلى جانب العديد من العمليات الكميّة الضوئيّة التي طورناها حتى الآن. بالإضافة إلى ذلك، سنقوم بتحسين قدرة ضغط ضوضاء الكم لمصدر الضوء الكميّ للحصول على حاسوب ضوئيّ عالميّ ذات نطاق واسع قادر على تحمّل الأعطال.

[دعم هذا البحث]

تم دعم هذا البحث من قبل برنامج "مونشوت" للبحث والتطوير التابع للوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا ("جاي إس تي")، هدف مونشوت السادس: " إنجاز حاسوب كميّ عالميّ قادر على تحمّل الأعطال، سيحدث ثورة في الاقتصاد والصناعة والأمن بحلول عام 2050" (مدير البرنامج: كاتسوهيرو كيتاغاوا، أستاذ كليّة الدراسات العليا للعلوم الهندسية، جامعة أوساكا). مشروع البحث والتطوير "تطوير حواسيب كميّة ضوئيّة عالمية ذات نطاق واسع قادرة على تحمّل الأعطال" (مدير المشروع: أكيرا فوروساوا، أستاذ كلية الدراسات العليا للهندسة، جامعة طوكيو).

[تعليق مدير المشروع]

حتى الآن، كان يعتقد أنّ الدوائر المتكاملة ضرورية للحصول على حاسوب كميّ ذات نطاق واسع. ومع ذلك، يوضح هذا النجاح أنّ الدوائر المتكاملة ليست ضروريّة وأنّه باستخدام الوحدات النمطيّة المطوّرة ومكونات الألياف الضوئيّة، يمكننا الحصول على حاسوب كميّ ضوئيّ ذات نطاق واسع. ومع هذا الإنجاز، أصبح الحصول على الحاسوب الكميّ ذات النطاق الواسع حقيقة واقعة، ويمكن القول أنّ تقنية غيرت قواعد اللعبة قد ولدت.

[قاموس شرح المصطلحات]

*1 مصدر ضوء مضغوط: وهو جهاز يولّد الضوء في حالة يتم فيها ضغط أحد التقلبات الكميّة (ضوضاء الكمّ) لزوج غير تبادلي من الكميات الفيزيائيّة. يتم الحصول عليه من خلال وسيط يحفّز بشكل فعّال ظواهر ضوئيّة غير خطيّة.

*2 حالة الكتلة الثنائيّة الأبعاد : وهي حالة متشابكة كميّة ذات نطاق واسع، يمكنها تحقيق أي نمط حسابيّ كمّي. في عام 2019، أدرك البروفسور أكيرا فوروساوا وزملاؤه في جامعة طوكيو حالة الكتلة الضوئيّة الثنائية الأبعاد مع أكثر من 10000 كيوبت ضوئي, [المرجع 1].

*3 تقنيّة قابلية التجميع في المستوى الزمنيّ لتوليد التشابك الكميّ: وهي طريقة لتوليد حالات متشابكة ذات نطاق واسع من عدد محدود من مصادر الضوء الكميّ عن طريق الفصل المؤقت للضوء المنبعث من مصدر الضوء الكميّ المستمر والتداخل مع حزم الموجات الكميّة المنفصلة (النبضات) بمقياس تداخل تأخير ضوئيّ.

*4 الحوسبة الكميّة القائمة على القياس: وهي طريقة يمكنها إجراء حوسبة كميّة عالميّة مكافئة للحاسوب الكميّ القائم على البوابة الذي تمّ بحثه في جميع أنحاء العالم. وعلى عكس الحوسبة الكميّة التقليديّة القائمة على البوابة حيث تتشابك الكيوبتات الفرديّة من خلال عمليات البوابة، تتضمن هذه الطريقة التحضير مسبقاً لتشابك كميّ ذات نطاق واسع. بملاحظة بعض الكيوبتات، يمكننا معالجة الكيوبت الباقية.

[المرجع 1]

دبليو أسافانانت، وآخرون، "توليد حالة الكتلة الثنائيّة الأبعاد ذات النطاق الزمني المتعددّ"، العلوم 366، 373 (2019).

[معلومات النشر]

تاكاهيرو كاشيوازاكي وتايشي ياماشيما وناوتو تاكاناشي وأسوكا إينو وتاكيشي أوميكي وأكيرا فوروساوا.

"تصنيع دليل موجيّ "بيه بيه إل إن" شبه أحادي الوضع منخفض الفقد وتطبيقه على عصارة معيارية عريضة النطاق وعالية المستوى"

رسائل الفيزياء التطبيقيّة

معرّف الوثيقة الرقمي: 10.1063/5.0063118

يحتوي هذا البيان الصحفيّ على وسائط متعدّدة. يمكنكم الاطّلاع على البيان كاملاً على الرابط التالي:/https://www.businesswire.com/news/home/20211222005615/en

إن نص اللغة الأصلية لهذا البيان هو النسخة الرسمية المعتمدة. أما الترجمة فقد قدمت للمساعدة فقط، ويجب الرجوع لنص اللغة الأصلية الذي يمثل النسخة الوحيدة ذات التأثير القانوني.