حتماً تا حالا کلی از دنیای کامپیوترهای کوانتومی شنیدی؛ همونایی که میگن قراره یه روزی حسابی نسل قدرتمندترین کامپیوترهای امروزی رو منقرض کنن و طوفان به‌پا کنن! ولی خب، واقعیتش اینه که این بچه‌ها (کامپیوترهای کوانتومی) هنوزم کلی مشکل دارن، مهم‌ترینشون هم اینه که خیلی خیلی حساس و شکننده‌ان، راحت از محیط بیرونی قاطی میشن و نتیجه محاسباتشون بهم می‌ریزه.
حالا یه تیم باحال تو دانشگاه جنوب کالیفرنیا (USC) اومدن و به جای جست‌وجوی جواب تو چیزای مرسوم، رفتن سراغ چیزایی که همه فکر می‌کردن به درد نمی‌خورن؛ یعنی ریاضیات مهجور و عجیب غریب! اونا سراغ ذره‌هایی به نام «انیون» (Anyons) رفتن و با ریاضیات خاص، یه راه جدید برای ذخیره و پردازش اطلاعات تو کوانتوم پیدا کردن.
بذار یه توضیح کوچولو بدم: کامپیوترهای معمولی با صفر و یک (بیت) کار می‌کنن. ولی کامپیوتر کوانتومی با «کیوبیت» (Qubit) سروکار داره؛ همون ذره‌ای که می‌تونه توی حالت صفر، یک یا هر چیزی بین این دوتا باشه، پس اطلاعات بیشتری تو خودش جا میده.
ولی خب، به خاطر این حساس بودن، هر اختلالی تو محیط، سریع باعث میشه نتیجه محاسبات خراب بشه. پس حتماً باید دنبال روش‌هایی برای اصلاح خطا یا به اصطلاح «تصحیح خطا» (Error Correction) باشیم، وگرنه کل محاسبات ممکنه به باد بره.
اینجا بود که ایده «کامپیوتر کوانتومی توپولوژیک» (Topological Quantum Computing) مطرح شد. توپولوژی هم یعنی علم بررسی شکل و ویژگی‌های هندسی اشیا، مستقل از اندازه و زوایاش! تو این روش اومدن اطلاعات کوانتومی رو توی خواص هندسی ذره‌هایی به اسم «انیون» قرار دادن، مخصوصاً یک نوع خاصش به اسم «آیزینگ انیون» (Ising Anyons). خوبیِ انیون‌ها اینه که فقط تو دو بعد وجود دارن و در برابر سر و صدای محیط مقاوم‌ترن.
ولی یه مشکل بزرگ سر راه بود: فقط با این آیزینگ انیون‌ها نمیشه یه کامپیوتر کوانتومی همه‌کاره ساخت (یعنی نمی‌تونن هر کاری انجام بدن و به اصطلاح یونیورسال بشن). چون حرکات و عملیاتشون (که بهش «بریدینگ» Braiding یا همون گره زدن و تاب دادن میگن) فقط تعداد محدودی دروازه منطقی (Clifford Gates) می‌سازن که کافی نیست.
اینجا یه نکته جالب بود! آقای آرون لاودا (Aaron Lauda)، استاد ریاضیات و فیزیک و نجوم USC، با تیمش به فکر افتاد که یه مدل ریاضیاتی جدید رو امتحان کنن به اسم «نظریه میدان کوانتومی توپولوژیک غیرسیمی‌سیمپل» (Non-semisimple Topological Quantum Field Theory – TQFT). اسمش عجیبه، ولی خلاصه بگم: معمولاً تو مدل‌های عادی فیزیکی، یه سری اجزا که بهشون میگن “quantum trace zero”، چون ارزش محاسباتی خاصی ندارن، کامل کنار گذاشته میشن و همه میگفتن اشغالن! ولی تیم لاودا اینا رو دور نریخت و تو همین بخش‌هایی که همه ولش کرده بودن، به یه ذره جدید رسیدن که اسمش رو گذاشتن «نگلکتون» (Neglecton) یعنی همون ذره ول‌شده!
حرکت جالب‌تر این بود که وقتی این نگلکتون رو کنارشون آوردن و فقط یه دونه‌ش رو تو کامپیوتر نگه داشتن (حتی لازم نیست تکونش بدن!) و بقیه آیزینگ انیون‌ها رو دورش تاب دادن، تونستن با همین حرکت‌های خاص، همه نوع عملیات مورد نیاز برای یه کامپیوتر کوانتومی یونیورسال رو بسازن. یعنی بالاخره تونستن دسترسی به همه عملیات‌ها داشته باشن، فقط با یه نگلکتون ساکن و کلی آیزینگ انیون متحرک دورش!
البته این مدل غیرسیمی‌سیمپل یه ایراد هم داره: گاهی ناهمخوانی‌هایی تو احتمال‌های کوانتومی ایجاد می‌کنه که باعث می‌شد بقیه محقق‌ها بیخیالش بشن. اما گروه USC یه راه هوشمندانه پیدا کردن: اطلاعات محاسباتی رو فقط تو بخش‌هایی از سیستم قرار دادن که سالم و بی‌دردسر بودن – مثل اینکه همه کامپیوتر رو بزاری تو اتاق‌های مطمئن یه خونه و کل اتاقای خراب رو محدود کنی تا کسی نتونه واردشون بشه!
حالا چیزی که باقی مونده فقط اینه که دانشمندهای آزمایشگاه بتونن واقعاً این نگلکتون رو وارد میدان کنن تا قدم بزرگ بعدی تو ساخت یه کامپیوتر کوانتومی واقعی و همه‌کاره برداشته بشه.
این کشف مهم‌شون رو هم تو مجله معتبر Nature Communications چاپ کردن.
خلاصه، بعضی وقتا سراغ چیزایی که همه فکر می‌کنن به درد نمی‌خورن، می‌تونه نقطه عطف باشه! شاید فردا تو علم، بازی رو همین به‌دردنخور‌ها تغییر بدن!
منبع: +
