The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

Translator: Javid Naseri Reviewer: Leila Ataei

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

محتویات این استوانه فلزی یا می‌تواند باعث تحول در فن‌آوری شود

or be completely useless—

یا کاملاً بی‌فایده باشد -

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

این همه، بستگی به این دارد که آیا می‌توانیم از فیزیک عجیب ماده

at very, very small scales.

در مقیاس‌های بسیار کوچک استفاده کنیم یا خیر.

To have even a chance of doing so,

حتی برای داشتن شانس انجام این کار،

we have to control the environment precisely:

باید محیط را دقیقاً کنترل کنیم:

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

میز و پایه‌های ضخیم آن، از لرزش‌های ناشی از قدم‌ها،

nearby elevators, and opening or closing doors.

آسانسورهای نزدیک ، و باز یا بسته شدن درها، محافظت می‌کند.

The cylinder is a vacuum chamber,

سیلندر یک محفظه خلاء،

devoid of all the gases in air.

عاری از همه گازهای موجود در هوا است.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

داخل محفظه خلاء کوچکتر است،

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

محفظه‌ای بسیار سرد، قابل دسترسی توسط پرتوهای کوچک لیزر.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

در داخل، ذرات فوق العاده حساسی هستند که یک کامپیوتر کوانتومی را تشکیل می‌دهنند.

So what makes these particles worth the effort?

پس چه چیزی باعث می‌شود که این ذرات ارزش تلاش را داشته باشند؟

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

از نظر تئوری، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند از حد محاسباتی رایانه‌های کلاسیک

of classical computers.

پیشی بگیرند

Classical computers process data in the form of bits.

رایانه های کلاسیک داده‌ها را به صورت بیتی پردازش می‌کنند.

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

هر بیت می‌تواند بین دو حالت با صفر و یک تغییر کند.

A quantum computer uses something called a qubit,

یک کامپیوتر کوانتومی از چیزی به نام «کیوبیت» استفاده می‌کند،

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

که می‌تواند بین صفر، یک و آنچه که یک برهم‌نهی نامیده می‌شود تغییر کند.

While the qubit is in its superposition,

در حالی که کیوبیت درموقعیت برهم‌نهی خود قرار دارد،

it has a lot more information than one or zero.

اطلاعات بسیار بیشتری از یک یا صفر دارد.

You can think of these positions as points on a sphere:

می‌توانید این مکان‌ها را به عنوان نقاط یک کره تصور کنید :

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

قطب‌های شمال و جنوب کره نمایانگر یک و صفر هستند.

A bit can only switch between these two poles,

یک بیت فقط می‌تواند بین این دو قطب جابجا شود،

but when a qubit is in its superposition,

اما وقتی که کیوبیت در موقعیت برهم‌نهی خود قرار دارد،

it can be at any point on the sphere.

می‌تواند در هر نقطه از کره باشد

We can’t locate it exactly—

نمی‌توانیم دقیقاً آن را پیدا کنیم

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

لحظه ای که آن را می‌خوانیم، «کیوبیت» به صفر یا یک برمی‌گردد.

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

اما حتی اگر نتوانیم «کیوبیت» را موقعیت برهم‌نهی‌اش کنیم مشاهده کنیم،

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

می‌توانیم مادامی‌که در این حالت است، آن را برای انجام عملیات‌های خاص دستکاری کنیم.

So as a problem grows more complicated,

بنابراین هرچه یک مسئله پیچیده تر شود،

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

یک کامپیوتر کلاسیک متقابلا برای حل آن به بیت‌های بیشتری احتیاج دارد،

while a quantum computer will theoretically be able to handle

در حالی که یک کامپیوتر کوانتومی از نظر تئوری قادر است

more and more complicated problems

مسائل پیچیده و پیچیده‌تر را بدون نیاز به

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

تعداد «کیوبیت»‌های بیشتر مانند کامپیوترهای کلاسیک، حل کند.

The unique properties of quantum computers

ویژگی‌های منحصر به فرد کامپیوترهای کوانتومی

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

نتیجه رفتار ذرات اتمی و زیراتمی است.

These particles have quantum states,

این ذرات حالت‌های کوانتومی دارند،

which correspond to the state of the qubit.

که مطابق با وضعیت «کیوبیت» است.

Quantum states are incredibly fragile,

حالات کوانتومی بسیار شکننده هستند،

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

به راحتی در اثر نوسانات دما و فشار

stray electromagnetic fields,

میدان‌های الکترومغناطیسی هرز،

and collisions with nearby particles.

و برخورد با ذرات اطراف، از بین می‌روند.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

برای این است که کامپیوترهای کوانتومی به چنین راه اندازی پیچیده‌ای نیاز دارند.

It’s also why, for now,

و نیز به این علت است که، فعلا

the power of quantum computers remains largely theoretical.

قدرت رایانه های کوانتومی تا حد زیادی نظری است.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

تاکنون فقط می‌توانیم، چند کیوبیت را در زمان و مکان یکسان کنترل کنیم.

There are two key components involved

دو مؤلفه اصلی، در مدیریت

in managing these fickle quantum states effectively:

این حالت‌های کوانتومی ناخوشایند به طور مؤثر، درگیر هستند:

the types of particles a quantum computer uses,

انواع ذراتی یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می‌کند،

and how it manipulates those particles.

و چگونه این ذرات را دستکاری می‌کند.

For now, there are two leading approaches:

در حال حاضر، دو رویکرد پیشرو وجود دارد:

trapped ions and superconducting qubits.

یون‌های به دام افتاده و «کیوبیت»های ابررسانا.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده، از یون ها به عنوان ذراتش استفاده می‌کند

and manipulates them with lasers.

و آن‌ها را با لیزر دستکاری می‌کند.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

یون‌ها در تله ساخته شده از میدان‌های الکتریکی قرار گرفته اند.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

ورودی های لیزر با چرخش حالت «کیوبیت» روی کره

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

به یون‌ها می‌گویند که چه عملیاتی باید انجام شود.

To use a simplified example,

به عنوان یک مثال ساده شده،

the lasers could input the question:

لیزرها می‌توانند این سؤال را وارد کنند:

what are the prime factors of 15?

عوامل اول ۱۵ چیست؟

In response, the ions may release photons—

در پاسخ، یون‌ها ممکن است فوتون‌ها را آزاد کنند

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

وضعیت «کیوبیت» تعیین می‌کند که یون، فوتون نشر می‌کند یا خیر

and how many photons it emits.

و چند فوتون ساطع می‌کند.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

سیستم تصویربرداری این فوتون‌ها را جمع آوری و پردازش می‌کند تا جواب را نشان دهد:

3 and 5.

۳ و ۵.

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

« کامپیوترهای کوانتومی کیوبیت ابررسانا» همان کارها را به شکل متفاوت انجام می‌دهند

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

به جای یک تله یونی از تراشه با مدارهای الکتریکی استفاده می‌کند.

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

حالات هر مدار الکتریکی به حالت «کیوبیت» ترجمه می‌شود.

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

آن‌ها را می‌توان با ورودی‌های الکتریکی به شکل مایکروویو دستکاری کرد.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

بنابراین:«کیوبیت»ها از یون‌ها یا مدارهای الکتریکی ناشی می‌شوند،

acted on by either lasers or microwaves.

که توسط لیزر یا مایکروویو عمل می‌کنند.

Each approach has advantages and disadvantages.

هر رویکرد دارای مزایا و معایبی است.

Ions can be manipulated very precisely,

یون‌ها را می‌توان خیلی دقیق دستکاری کرد ،

and they last a long time,

و طولانی مدت دوام می‌آورند،

but as more ions are added to a trap,

اما هرچه یون‌های بیشتری به دام اضافه شوند،

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

کنترل دقیق هر یک از آنها دشوار می‌شود.

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

فعلا ما نمی‌توانیم یون‌های کافی را در یک تله جهت انجام محاسبات پیشرفته داشته باشیم،

but one possible solution might be to connect many smaller traps

اما ممکن است یک راه حل امکان‌پذیر، اتصال بسیاری از تله های کوچکتر باشد

that communicate with each other via photons

که به جای تلاش برای ایجاد یک دام بزرگ،

rather than trying to create one big trap.

از طریق فوتون با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

در ضمن مدارهای ابررسانا عملیات را خیلی سریعتر از یونهای به دام افتاده،

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

و ارتقاء تعداد مدارها در یک کامپیوتر ساده تر

than the number of ions.

از تعداد یون‌ها است

But the circuits are also more fragile,

اما مدارها نیز حساس‌تر هستند،

and have a shorter overall lifespan.

طول عمر کلی کوتاه تری دارند.

And as quantum computers advance,

و با پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی،

they will still be subject to the environmental constraints

آن‌ها هنوز هم، برای حفظ حالات کوانتومی مورد نیاز

needed to preserve quantum states.

در معرض محدودیت‌های زیست محیطی قرار دارند.

But in spite of all these obstacles,

اما با وجود همه این موانع،

we’ve already succeeded at making computations

ما قبلاً موفق شده ایم در قلمرویی که

in a realm we can’t enter or even observe.

نمی‌توانیم وارد شویم یا حتی مشاهده کنیم، محاسبات خود را انجام دهیم