وبلاگ

مهندسان آزمایشگاه جفرسون به طراحی و ساخت یک سیستم تشخیص فوتون کمک کردند که کلید محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتونیک و تکنیک‌های رمزگذاری نشکن است.

نیوپورت نیوز، ویرجینیا – کارشناسان فیزیک هسته ای و اطلاعات کوانتومی کاربرد یک سیستم شمارش فوتون را برای تقسیم دقیق بیش از 100 فوتون نشان دادند. این شاهکار یک گام بزرگ به جلو در توانایی تلاش‌های توسعه محاسبات کوانتومی است. همچنین می‌تواند تولید کوانتومی اعداد واقعاً تصادفی را فعال کند، هدفی که مدت‌ها به دنبال توسعه تکنیک‌های رمزگذاری نشکن برای برنامه‌هایی مانند ارتباطات نظامی و تراکنش‌های مالی بوده است. آشکارساز اخیرا در گزارش شده است فوتونیک طبیعت.

فیزیکدانان در سراسر جهان به شدت به دنبال وعده محاسبات کوانتومی قابل اعتماد و قوی هستند. استفاده از محاسبات کوانتومی نه تنها یک جهش بزرگ برای علم خواهد بود، بلکه باعث تقویت اقتصاد و بهبود امنیت ملی نیز خواهد شد. اما رسیدن به آنجا تا کنون از بهترین ذهن‌های روی کره زمین فرار کرده است.

دو مهندس در مرکز شتاب دهنده ملی توماس جفرسون وزارت انرژی ایالات متحده بخش مهمی از یک سیستم تشخیص فوتون را طراحی کرده اند که فیزیکدانان را یک قدم به محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتونیک کاملاً عملیاتی نزدیکتر کرده است. یک کامپیوتر کوانتومی که تماماً از نور ساخته شده است. این مهندسان بخشی از یک تیم بین رشته ای از محققان فدرال و دانشگاهی هستند که توسط آزمایشگاه جفرسون رهبری می شود که برای پیشبرد محاسبات کوانتومی در فیزیک هسته ای کار می کنند.

راه های مختلفی برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً کارآمد وجود دارد. برای محاسبات مبتنی بر فوتونیک، تشخیص کوانتومی ذرات نور یا فوتون‌ها حیاتی است. در حال حاضر، آشکارسازهای منفرد می توانند تا حدود 10 فوتون را شناسایی کنند، اما این عدد برای بسیاری از روش های تولید حالت کوانتومی بسیار کم است. هنوز هیچ کس تشخیص بیش از 16 فوتون را نشان نداده است، اما شبیه سازی ها نشان می دهد که محاسبات کوانتومی به تشخیص تعداد زیادی فوتون (50 یا بیشتر) نیاز دارد.

عمرو هوسامل الدین، عضو تیم و استادیار فارغ التحصیل محاسبات کوانتومی و اپتیک کوانتومی در دانشگاه، توضیح داد که عبور از آستانه 50 فوتون به معنای امکان پیاده سازی یک “دروازه مکعبی” است – نقطه عطفی در جهت ساخت مجموعه ای کامل از گیت ها برای محاسبات کوانتومی جهانی. دانشگاه ویرجینیا

این تیم رکورد 16 فوتون را شکست و تعداد فوتون های حدود 35 در هر آشکارساز را نشان داد و با یک سیستم سه آشکارساز به 100 فوتون رسید.

آنها می‌توانند پیش‌بینی کنند که ۱۰۰ فوتون از این فوتون‌ها را که آشکارسازها را تحت تأثیر قرار می‌دهند، تقسیم می‌کنند فوق العاده رابرت ادواردز، دانشمند ارشد و دانشیار مدیر فیزیک نظری و محاسباتی در آزمایشگاه جفرسون گفت: وضوح دقیق. “این فوق العاده دقیق است – و این هرگز به دست نیامده است.

“فقدان تشخیص، محدودیت اصلی این رویکرد برای محاسبات کوانتومی است. وضوح جدید شمارش فوتون گامی ضروری برای اجرای یک مجموعه دستورالعمل جهانی است.

سیستم تشخیص جدید مزیت ثانویه بسیار ارزشمند دیگری نیز دارد: تولید کوانتومی اعداد واقعا تصادفی – مزیتی برای کدهای مخفی نشکن یا رمزگذاری در زمینه هایی مانند ارتباطات نظامی و تراکنش های مالی.

اعداد به اصطلاح تصادفی تولید شده توسط الگوریتم های کامپیوتری کلاسیک واقعا تصادفی نیستند. الگوریتمی که آنها از آن تولید می شوند را می توان با انجام یک بازی اعداد با کمی تلاش به خطر انداخت – به دنبال اینکه کدام اعداد بیشتر از بقیه ظاهر می شوند. تولید اعداد تصادفی واقعی با استفاده از فیزیک کوانتومی چنین نقص یا سوگیری ندارد.

اولیویه فایستر، استاد فیزیک در UVa که در زمینه‌های کوانتومی و اطلاعات کوانتومی تخصص دارد و به‌عنوان یک سیستم خارجی خدمت می‌کند، توضیح داد: «در مکانیک کوانتومی تصادفی ذاتی وجود دارد که در آن شما می‌توانید یک سیستم فیزیکی داشته باشید که در دو حالت به طور همزمان است. رهبر تیم برای پروژه و وقتی می خواهید بدانید چیست، تصادفی است.

انیشتین از این موضوع ناراحت بود. او آن را «پیرمردی که با کیهان تاس بازی می‌کند» نامیده است. و ما بهتر از اینشتین نمی شناسیم.

Pfister و Hossameldin مقاله ای را با هم نوشتند که تحقیقات این تیم را در یک مجله معتبر ارائه می کرد. فوتونیک طبیعت. نویسندگان دیگر کریس کوواس و های دونگ از آزمایشگاه جفرسون، ریچارد بیریتلا و پل آلسینگ از آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی در نیویورک، میلر ایتون از UVa و کریستوفر سی. گری از دانشگاه شهر نیویورک هستند.

سیگنال هایی که قبلا دیده نشده بود

تلاش‌های این تیم با الهام از اعلامیه‌ای در سال 2019 از دفتر علوم DOE مبنی بر ارائه فرصت‌های سرمایه‌گذاری تحقیقاتی در اطلاعات کوانتومی برای فیزیک هسته‌ای تحت برنامه افق کوانتومی صورت گرفت. ادواردز کمک مالی کوچکی را برای تامین مالی یک سری سخنرانی که متخصصان محاسبات کوانتومی را جذب می کرد، دریافت کرد.

Pfister اولین سخنران در مارس 2020 بود. یک هفته بعد، بیماری همه گیر COVID-19 آزمایشگاه را تعطیل کرد، اما بذر تحقیقات مشترک در زمینه محاسبات کوانتومی مبتنی بر فوتونیک کاشته شد.

تیم بزرگی از فیزیکدانان، مهندسان و دانشجویان دکترا گرد هم آمدند. تامین مالی از طریق برنامه تحقیق و توسعه هدایت شده آزمایشگاهی (LDRD).. برنامه LDRD از پروژه هایی در خط مقدم علم و فناوری پشتیبانی می کند. این همکاری با هدف استفاده از فوتونیک کوانتومی برای محاسبات مربوط به برنامه علمی آزمایشگاه جفرسون آغاز شد.

UVa قبلاً یک سیستم مبتنی بر فوتون برای انجام محاسبات کوانتومی با استفاده از لیزر پالسی داشت، اما فاقد ابزاری برای تشخیص با سرعت و دقت زیاد تعداد فوتون‌هایی بود که قبل از تجزیه سیگنال به آشکارساز آن برخورد می‌کردند.

در همین حال، تشخیص ذرات با سرعت و دقت، نقطه قوت آزمایشگاه جفرسون است. تاسیسات شتاب دهنده پرتو الکترونی پیوسته آن یا CEBAF، برای چندین دهه در آزمایش‌هایی که بر آشکارسازهای فوق حساس برای اندازه‌گیری آبشار ذرات زیراتمی زودگذر ایجاد می‌شوند، استفاده شده است. CEBAF یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE است که بیش از 1850 فیزیکدان هسته ای برای تحقیقات خود به آن دسترسی دارند.

در یک آزمایش تیمی در آزمایشگاه اپتیک کوانتومی Pfister در UVa، هوسامالدین سه دستگاه حسگر لبه گذار ابررسانا (TES) را برای ساخت یک آشکارساز وصل کرد و هر دستگاه TES قادر به دیدن 35 فوتون بود و آنها را در مقابل لیزر قرار داد و پرتو را چرخاند. .

یک دیجیتایزر با سرعت بالا که توسط دونگ در آزمایشگاه جفرسون طراحی و توسعه داده شد، بخش کلیدی الکترونیک آشکارساز بود.

Cuevas گفت: «دیجیتایزرهای اصلی TES از قابلیت های سرعت بالایی که در طراحی ما گنجانده شده است، برخوردار نبودند. دیجیتایزر ما دارای دقت 12 بیتی با زمان نمونه برداری 4 ثانیه است، بنابراین به ما امکان می دهد سیگنال هایی را از TES بگیریم که قبلا دیده نشده بود.

تحقیقات محاسبات کوانتومی با سرعتی تصاعدی در حال توسعه است و کوواس پیش بینی می کند که فناوری جدید به زودی جایگزین سیستم آنها خواهد شد. اما همکاری بزرگتر برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر نور همچنان ادامه دارد.

Cuevas گفت: “این پروژه نمونه بسیار خوبی است که در آن طرح ها می توانند دوباره مورد استفاده قرار گیرند و در یک برنامه علمی کاملاً متفاوت اعمال شوند.” اشتراک فناوری یک پایه اساسی برای جوامع علمی است و به عنوان مهندسان الکترونیک، دانستن اینکه پروژه های ما می توانند به اکتشافات مهم کمک کنند، هیجان انگیز است.

نوشته تامارا دیتریش

مخاطب: کندیس کارتر، دفتر ارتباطات آزمایشگاه جفرسون، 7263-269-757، [email protected]