فهرست مطالب
پژوهشگران برای نخستین بار یک پردازنده کوانتومی فوتونیکی را در مدار زمین فعال کردند و امکان استفاده از محاسبات کوانتومی در فضا را نشان دادند.
به گزارش سرویس کامپیوتر و موبایل تکناک، این آزمایش نشان داد که محاسبات کوانتومی میتوانند از محیطهای کنترلشده آزمایشگاهی خارج شوند و در آینده برای پردازش مستقیم دادههای ماهوارهای در فضا مورد استفاده قرار بگیرند.
ماهوارههای مستقر در مدار زمین حجم عظیمی از دادههای خام را جمعآوری میکنند. انتقال تمام این اطلاعات به زمین به پهنای باند زیادی نیاز دارد و ماهوارهها نیز فقط در زمانهای مشخصی میتوانند با ایستگاههای زمینی ارتباط برقرار کنند. پردازش اطلاعات در خود ماهواره میتواند وابستگی به انتقال حجم زیادی از دادههای خام را کاهش دهد.
گروهی از فیزیکدانان به سرپرستی فیلیپ والتر از دانشگاه وین برای بررسی این امکان، یک پردازنده کوانتومی را برای فعالیت در مدار پایین زمین توسعه دادند. این پردازنده از فوتونها برای حمل اطلاعات کوانتومی استفاده میکند.
سیستم پژوهشگران یک منبع تولید جفت فوتون دارد. این فوتونها وارد شبکهای برنامهپذیر از مسیرهای نوری میشوند که روی یک تراشه شیشهای کوچک قرار گرفته است. فوتونها برای انجام عملیات کوانتومی باید عملا از یکدیگر غیرقابل تشخیص باشند.
تفاوت بسیار کوچک در زمان رسیدن، قطبش یا طول موج فوتونها میتواند امکان تشخیص آنها را فراهم کند. این اتفاق تداخل کوانتومی مورد نیاز پردازنده را مختل میکند. پژوهشگران باید چنین سیستم حساسی را برای فعالیت در ماهوارهای آماده میکردند که با سرعت حدود ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت در مدار زمین حرکت میکند.
بیشتر بخوانید: تراشه کوانتومی نوری چین با سرعت هزار برابر GPUهای انویدیا معرفی شد
مقاومت پردازنده کوانتومی در برابر محیط خشن فضا
یکی از نخستین چالشها، زنده ماندن تجهیزات حساس در جریان پرتاب موشک بود. لرزشها و شوکهای مکانیکی شدید هنگام پرتاب میتوانستند اجزای ظریف اپتیکی پردازنده را از تنظیم خارج کنند و آزمایش را پیش از رسیدن به مدار با شکست روبهرو کنند.
پژوهشگران برای جلوگیری از این مشکل، حساسترین قطعات را روی صفحات پایه تیتانیومی مقاوم نصب کردند. همچنین آنها فیبرهای نوری شکننده متصل به تراشه فوتونیکی را با رزین اپوکسی تقویت کردند. تمام اجزایی که حرکت آنها میتوانست عملکرد پردازنده را مختل کند، تا حد امکان در جای خود ثابت شدند.
نمونههای اولیه پیش از پرتاب تحت آزمایشهای شدید لرزش و شوک قرار گرفتند. این آزمایشها شرایط پرتاب با موشک را شبیهسازی میکردند. شدت شوک در یکی از فرکانسهای تشدید به حدود ۱۵۰۰ برابر شتاب گرانش زمین رسید. تجهیزات اپتیکی این آزمایش را بدون کاهش قابل اندازهگیری در عملکرد پشت سر گذاشتند.
پردازنده در ۲۳ ژوئن ۲۰۲۵ با موشک فالکون ۹ به مدار پایین زمین پرتاب شد. ماهواره در ارتفاع حدود ۵۱۰ کیلومتری زمین قرار گرفت. عبور موفق از مرحله پرتاب پایان مشکلات نبود و تجهیزات پس از رسیدن به مدار با مجموعهای از چالشهای تازه مواجه شدند.
این دستگاه با شش دیود بهمنی تکفوتونی سیلیکونی یا SPAD به فضا فرستاده شد. این آشکارسازها فوتونهای خارجشده از مدار فوتونیکی را شناسایی میکنند. پژوهشگران پس از آغاز مأموریت متوجه شدند که فقط سه مورد از شش آشکارساز قابل استفاده هستند.
نور خورشید نیز عملکرد آشکارسازهای باقیمانده را مختل کرد. حساسیت زیاد این تجهیزات باعث میشد نور خورشید یک سیگنال پسزمینه قدرتمند و بسیار متغیر ایجاد کند. این سیگنال اندازهگیریهای حساس آزمایش را تحت تأثیر قرار میداد.
حرکت ماهواره به دور زمین راهکاری طبیعی برای این مشکل ایجاد کرد. ماهواره تقریبا هر ۹۲ دقیقه وارد سایه زمین میشد. نویز پسزمینه در این دوره به میزان قابل توجهی کاهش پیدا میکرد. پژوهشگران در هر گردش مداری حدود ۳۰ دقیقه فرصت داشتند تا حساسترین اندازهگیریهای خود را انجام دهند.
تشعشعات مدار پایین زمین چالش جدی دیگری بودند. پروتونها و الکترونهای پرانرژی موجود در این محیط میتوانستند به آشکارسازها آسیب وارد کنند. پژوهشگران برای کاهش این اثر، محموله را با یک لایه آلومینیوم یک سانتیمتری مخصوص صنایع هوافضا محافظت کردند.
این حفاظ توانست بخش قابل توجهی از الکترونها را مهار کند. مقابله با پروتونها بدون افزودن وزن زیاد به ماهواره دشوارتر بود. آشکارسازهای باقیمانده به همین دلیل بهتدریج دچار افت عملکرد شدند.
بیشتر بخوانید: ژاپن نخستین کامپیوتر کوانتومی فولاستک خود را در دمای اتاق راهاندازی کرد
پژوهشگران پس از ۵۲ روز، افزایش محسوسی را در نرخ شمارش تاریک آشکارسازها مشاهده کردند. شمارش تاریک به تشخیصهای اشتباهی گفته میشود که بدون ورود فوتون اتفاق میافتند. گروه تحقیقاتی با تغییر ولتاژ آشکارسازها توانست بخشی از سیگنال ازدسترفته را بازیابی کند.
لیزر دستگاه نیز با مشکل دیگری مواجه شد. پژوهشگران از یک لیزر تجاری استفاده کرده بودند که برای تحمل شرایط مکانیکی و حرارتی فضا اصلاح شده بود. محفظه آن از آلیاژ Kovar با روکش طلا ساخته شده بود تا تغییرات دمایی، کمترین تأثیر را بر ابعاد آن داشته باشند.
یک چسب داخلی برخلاف سایر اجزای دستگاه برای شرایط خلأ مناسب نبود. این ماده در خلأ شروع به آزاد کردن مولکولهایی کرد که روی قطعات اپتیکی اطراف نشستند و یک لایه غنی از کربن ایجاد کردند.
آزمایشهای زمینی نشان داده بودند که این آلودگی میتواند توان لیزر را طی یک هفته از حدود ۲۰ میلیوات به ۴ میلیوات کاهش دهد. پژوهشگران زمانی علت مشکل را شناسایی کردند که نمونه پروازی در موشک فالکون ۹ نصب شده بود. بنابراین امکان تعویض چسب یا پاکسازی تجهیزات وجود نداشت.
توان لیزر پس از آغاز فعالیت در فضا نیز مطابق پیشبینی کاهش یافت. افت توان لیزر همراه با آسیب تشعشعات به آشکارسازها باعث کاهش بیشتر قدرت سیگنال شد. با وجود این مشکلات، پژوهشگران همچنان توانستند آزمایش اصلی خود را انجام دهند.
ثبت تداخل کوانتومی در مدار زمین
پژوهشگران برای اثبات عملکرد کوانتومی پردازنده باید نشان میدادند که فوتونهای عبوری از مدار میتوانند رفتار تداخلی مورد انتظار را ایجاد کنند. دو فوتون غیرقابل تشخیص در صورت ورود همزمان از دو سمت مخالف یک اتصال نوری، رفتار متفاوتی با ذرات کلاسیک نشان میدهند.
این دو فوتون بهجای خروج مستقل از مسیرهای جداگانه، با یکدیگر تداخل میکنند و تمایل دارند همراه یکدیگر خارج شوند. فیزیکدانان این پدیده را با اثری موسوم به «افت هونگ-او-مندل» اندازهگیری میکنند.
هرچه ویژگیهای دو فوتون بیشتر با یکدیگر مطابقت داشته باشند، تعداد دفعاتی که آشکارسازها خروج جداگانه آنها را ثبت میکنند کاهش پیدا میکند. مشاهده این افت میتواند نشانهای از وقوع تداخل کوانتومی در سیستم باشد.
گروه تحقیقاتی برای اجرای آزمایش در مدار، دمای کریستالی را که جفت فوتونها را تولید میکرد به تدریج تغییر داد. تغییر دمای کریستال طول موج فوتونها را تغییر میدهد. پژوهشگران با این روش میتوانستند طیف فوتونها را تنظیم کنند تا در نهایت از یکدیگر غیرقابل تشخیص شوند.
آزمایشهای انجامشده روی زمین نشان داده بودند که بهترین شرایط باید در دمای حدود ۳۲.۵ درجه سانتیگراد ایجاد شود. اندازهگیریهای انجامشده در فضا نیز همین نتیجه را نشان دادند.
نرخ تشخیص همزمان فوتونها تقریبا در دمای ۳۲.۵ درجه سانتیگراد به شدت کاهش یافت و افت مشخص هونگ-او-مندل ثبت شد. این نتیجه نشان داد که تداخل کوانتومی مورد انتظار در پردازنده مستقر در مدار اتفاق افتاده است.
میزان وضوح این تداخل به ۰.۹۰۸ رسید. این عدد بالاتر از حد کلاسیک ۰.۵ بود. البته اندازهگیری با عدم قطعیت قابل توجهی همراه بود و نتیجه با اختلاف ۲.۱۴ انحراف معیار از آستانه کلاسیک عبور کرد.
پژوهشگران برای افزایش اطمینان به نتیجه، آزمایش را در دو روز متفاوت بهطور مستقل تکرار کردند و در هر دو مورد افت مورد انتظار را مشاهده کردند. سپس آنها پیکربندی پردازنده را عمدا به وضعیتی تغییر دادند که نباید چنین تداخلی در آن ایجاد میشد. افت هونگ-او-مندل پس از این تغییر ناپدید شد.
مجموع این آزمایشها نشان داد که پردازنده با وجود مشکلات آشکارسازها، تابش خورشید، تشعشعات فضایی و کاهش توان لیزر توانسته است تداخل غیرکلاسیکی مورد نیاز را برای محاسبات کوانتومی فوتونیکی در مدار ایجاد و کنترل کند.
این دستاورد هنوز به معنای آماده بودن کامپیوترهای کوانتومی برای پردازش عملی دادههای ماهوارهای نیست. نمونه آزمایششده توانایی انجام چنین مأموریتی را ندارد. اهمیت آزمایش بیشتر در اثبات امکان فعالیت سختافزار کوانتومی فوتونیکی در محیط دشوار فضا است.
بیشتر بخوانید: کامپیوتر کوانتومی چیست و چگونه کار میکند؟
پژوهشگران اکنون میتوانند تجربه بهدستآمده از این مأموریت را برای ساخت نسلهای مقاومتر پردازندههای مداری به کار بگیرند. مشکلات آشکارشده در زمینه آشکارسازها، محافظت در برابر تشعشعات، آلودگی تجهیزات اپتیکی و عملکرد لیزر نیز اطلاعات عملی ارزشمندی برای طراحی مأموریتهای آینده فراهم کردهاند.
هدف بلندمدت پژوهشگران، پردازش اطلاعات روی خود سختافزار فوتونیکی ماهواره است. چنین پردازندهای میتواند دادههای جمعآوریشده را طبقهبندی و فشرده کند و فقط نتیجه نهایی پردازش را برای ایستگاههای زمینی بفرستد.
این رویکرد میتواند حجم اطلاعاتی را که ماهواره باید به زمین منتقل کند کاهش دهد و بخشی از محدودیتهای پهنای باند ارتباطی را برطرف کند. همچنین پردازندههای مداری میتوانند در آینده در کنار پیوندهای کوانتومی میان ماهوارهها و ایستگاههای زمینی فعالیت کنند.
پژوهشگران معتقد هستند ترکیب گرههای پردازشی و کانالهای ارتباطی کوانتومی میتواند زمینه شکلگیری یک معماری توزیعشده با پوشش جهانی و تأخیر پایین را فراهم کند. محاسبات کوانتومی در چنین معماری دیگر فقط به آزمایشگاههای کنترلشده روی زمین محدود نخواهند بود و سختافزارهای کوانتومی میتوانند به بخشی از شبکههای فضایی آینده تبدیل شوند.
