زره کوانتومی روشی نوین برای محافظت از اطلاعات در برابر نویز

محققان دانشگاه ویتواترسرند روشی جدید برای حفظ اطلاعات کوانتومی حتی در شرایط ناپایدار پیشنهاد داده‌اند.

به گزارش اینترستینگ اینجیرینگ، یکی از چالش‌های اساسی در توسعه سیستم‌های کوانتومی پایدار، محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر اختلالات محیطی است. این مسئله یکی از موانع کلیدی در دستیابی و حفظ ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد کوانتومی، مانند درهم‌تنیدگی، محسوب می‌شود.

درهم‌تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای است که در آن دو یا چند ذره بدون توجه به فاصله‌ای که از یکدیگر دارند، می‌توانند با هم ارتباط برقرار کرده و بر یکدیگر تأثیر بگذارند. آلبرت اینشتین این مفهوم را «کنش شبح‌وار از راه دور» توصیف کرده بود.

با این حال، درهم‌تنیدگی به‌شدت به اختلالات محیطی حساس است و هرگونه نویز ناخواسته ناشی از ذرات سرگردان، پرتو‌های نور یا عوامل دیگر می‌تواند این پیوند را از بین ببرد. اما اکنون، محققان روشی یافته‌اند که می‌تواند از این اتفاق جلوگیری کند.

استفاده از توپولوژی برای حفظ اطلاعات کوانتومی

مطالعه‌ای جدید از محققان دانشگاه ویتواترسرند (Wits) در ژوهانسبورگ نشان می‌دهد که رمزگذاری اطلاعات کوانتومی با استفاده از ساختار‌های توپولوژیکی، به‌ویژه اسکایرمیون‌های کوانتومی، می‌تواند مقاومت در برابر نویز محیطی را افزایش دهد.

اسکایرمیون نوعی الگوی چرخشی پایدار است که در حوزه‌هایی مانند مغناطیس و فیزیک کوانتومی مشاهده می‌شود. این ساختار توپولوژیکی از پایداری بالایی برخوردار است، به این معنی که حتی در صورت تغییر شکل جزئی، ساختار کلی آن حفظ می‌شود و در برابر اختلالات و نویز مقاوم باقی می‌ماند.

برای درک بهتر، می‌توان اسکایرمیون را به یک گرداب کوچک در یک برکه تشبیه کرد. صرف‌نظر از تغییراتی که در سطح آب ایجاد می‌شود، گرداب دست‌نخورده باقی می‌ماند مگر اینکه کاملاً برهم زده شود. این رفتار در یک میدان مغناطیسی یا کوانتومی نیز دیده می‌شود، جایی که اسکایرمیون‌ها به‌عنوان پیچش‌هایی در سیستم عمل می‌کنند و در برابر نویز مقاومت نشان می‌دهند.

در مکانیک کوانتومی، اسکایرمیون‌ها می‌توانند به‌عنوان ساختار‌های موج‌مانند پایداری ظاهر شوند که به محافظت از اطلاعات کوانتومی کمک می‌کنند. محققان در مطالعه جدید خود به‌صورت نظری نشان داده‌اند که مهندسی حالت‌های کوانتومی با ویژگی‌های توپولوژیکی خاص (اسکایرمیون‌ها) می‌تواند اطلاعات کوانتومی را حتی در شرایطی که درهم‌تنیدگی بین ذرات از بین می‌رود، حفظ کند.

محققان در مقاله خود نوشته‌اند: «ما نشان می‌دهیم که اسکایرمیون‌های کوانتومی و ویژگی‌های توپولوژیکی غیرمحلی آنها در برابر نویز مقاوم باقی می‌مانند، حتی زمانی که شاخص‌های متداول درهم‌تنیدگی و اندازه‌گیری‌های حالت کوانتومی کاهش می‌یابند.»

آنها همچنین افزودند: «ما آزمایش‌های خود را با یک تحلیل نظری کامل تکمیل کردیم که مکانیزم‌های کوانتومی پشت این رفتار توپولوژیکی را آشکار می‌کند و توضیح می‌دهد که چرا توپولوژی به افزایش پایداری منجر می‌شود.»

اهمیت این روش در توسعه شبکه‌های کوانتومی پیشرفته

این اولین بار نیست که دانشمندان روشی برای حفظ اطلاعات کوانتومی در حالت‌های ناپایدار پیشنهاد می‌دهند. پیش‌تر، روش‌هایی مانند کدگذاری تصحیح خطا برای تثبیت سیستم‌های کوانتومی معرفی شده بود.

بااین‌حال، بیشتر روش‌های قبلی یا اجرای پیچیده‌ای داشته‌اند یا تنها بر حفظ حالت کوانتومی متمرکز بوده‌اند، بدون آنکه راهی برای حفاظت از اطلاعات در شرایط آشفتگی (نویز) ارائه دهند.

اینجاست که ویژگی‌های توپولوژیکی مانند اسکایرمیون‌ها می‌توانند تفاوت ایجاد کنند. اندرو فوربس، یکی از پژوهشگران این مطالعه و استاد فیزیک در دانشگاه ویتواترسرند، می‌گوید: «آنچه ما کشف کرده‌ایم این است که توپولوژی یک منبع قدرتمند برای رمزگذاری اطلاعات در حضور نویز است.»

محققان بر این باورند که این روش می‌تواند نقش مهمی در توسعه شبکه‌های کوانتومی جهانی پایدار و رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر نویز ایفا کند.

این پژوهش در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.