ตัวสะท้อนเสียงสองตัวแบ่งปันความก้าวหน้าทางควอนตัม
ทีมวิจัยที่นำโดยเติ้ง ถัน จากสถาบัน Shenzhen International Quantum Academy ร่วมกับมหาวิทยาลัยสตุตการ์ตและสถาบันอื่น ๆ สร้างสภาวะพัวพันควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับโหมดเสียง 2, 4 และ 6 โหมดบนชิปไฮบริด นอกจากนี้ ทีมยังถ่ายโอนสถานะพัวพันที่เกี่ยวข้องกับ 2 และ 4 โหมดระหว่างตัวสะท้อนเชิงกลสองตัวที่แยกจากกัน แสดงให้เห็นทั้งการเตรียมและการเคลื่อนย้ายข้อมูลควอนตัมที่ส่งผ่านการสั่น
สารบัญ
- ตัวสะท้อนเสียงสองตัวแบ่งปันความก้าวหน้าทางควอนตัม
- การสั่นส่งผ่านข้อมูลควอนตัมได้อย่างไร
- อะไรทำให้การพัวพันนี้เป็นสภาวะพัวพันแท้จริง
- คิวบิตตัวนำยิ่งยวดควบคุมหลายโหมด
- ตัวเลขการเตรียมสถานะบอกอะไร
- การถ่ายโอนสภาวะพัวพันระหว่างโหนดเชิงกล
- คิวบิตสองตัววัดสถานะเสียงที่ใหญ่ขึ้น
- เหตุใดผังการวางชิปจึงสำคัญ
- จากการทดลองนี้สู่เครือข่ายขนาดใหญ่
- ประเด็นสำคัญ
ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดในการเตรียมสถานะพัวพันคือค่าความเที่ยงตรง 0.912 ± 0.003 สำหรับ 2 โหมด ค่าความเที่ยงตรงใช้วัดว่าสถานะควอนตัมจากการทดลองตรงกับสถานะเป้าหมายมากเพียงใด โดย 1 หมายถึงตรงกันสมบูรณ์ ค่าที่สอดคล้องกันสำหรับ 4 โหมดอยู่ที่ 0.790 ± 0.003 และสำหรับ 6 โหมดอยู่ที่ 0.570 ± 0.001
งานวิจัยในวารสาร Science ชื่อเรื่อง “การสร้างและกระจายสภาวะพัวพันหลายส่วนแท้จริงในตัวสะท้อนเสียงระดับมหภาคอย่างกำหนดได้” มีกำหนดเผยแพร่วันที่ 15 ตุลาคม 2026 สถาบันในเซินเจิ้นประกาศผลงานดังกล่าวเมื่อวันที่ 16 ตุลาคม
การทดลองนี้รวมสามภารกิจที่ระบบควอนตัมเสียงขนาดใหญ่จำเป็นต้องทำ ได้แก่ การสร้างสถานะควอนตัมร่วม การเคลื่อนย้ายสถานะระหว่างหน่วยฮาร์ดแวร์ และการวัด สถานะที่ซับซ้อนที่สุดเกี่ยวข้องกับโหมดเสียง 6 โหมด ขณะที่การทดลองถ่ายโอนเกี่ยวข้องกับ 2 และ 4 โหมด
การสั่นส่งผ่านข้อมูลควอนตัมได้อย่างไร
ชิปนี้ใช้โฟนอน ซึ่งเป็นหน่วยควอนตัมของการสั่นเชิงกล โฟนอนมีบทบาทต่อการสั่นคล้ายกับที่โฟตอนมีต่อแสง กล่าวคือใช้อธิบายปริมาณพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องในระบบควอนตัม
อุปกรณ์เชิงกลที่ใช้คือตัวสะท้อนเสียงปริมาตรแบบโอเวอร์โทนสูง หรือ HBAR แต่ละตัวรองรับโหมดเสียงได้หลายโหมด ซึ่งหมายถึงรูปแบบการสั่นที่แตกต่างกันในความถี่ต่าง ๆ เครื่องดนตรีหนึ่งชิ้นเล่นโน้ตได้หลายเสียง ตัวสะท้อนก็รองรับรูปแบบการสั่นได้หลายแบบเช่นกัน แม้การควบคุมสถานะควอนตัมของโหมดเหล่านั้นจะต้องใช้อุปกรณ์ที่แม่นยำกว่ามาก
HBAR เป็นที่สนใจของนักวิจัยเพราะรองรับหลายโหมด เก็บสถานะไว้ได้นานพอสมควร และนำไปประกอบเข้ากับชิปได้ โหมดหลายโหมดภายในอุปกรณ์เดียวช่วยเพิ่มตำแหน่งสำหรับเข้ารหัสข้อมูลควอนตัม จึงลดความจำเป็นในการใช้องค์ประกอบเชิงกลแยกกันสำหรับแต่ละโหมด
อะไรทำให้การพัวพันนี้เป็นสภาวะพัวพันแท้จริง
ถันและคณะสร้างสภาวะพัวพันหลายส่วนแท้จริง กล่าวอย่างง่ายคือ ความเชื่อมโยงควอนตัมครอบคลุมโหมดทั้งหมดในกลุ่ม สถานะนี้ไม่สามารถแบ่งเป็นกลุ่มย่อยอิสระที่ยังคงมีความพัวพันทั้งหมดอยู่ได้
ตัวอย่างเช่น โหมด 6 โหมดที่จัดเป็นคู่พัวพันอิสระ 3 คู่ มีโครงสร้างต่างจากสภาวะพัวพันแท้จริงที่เชื่อมโยงทั้ง 6 โหมดเข้าด้วยกัน แบบหลังมอบทรัพยากรควอนตัมร่วมที่อาจรองรับการทำงานครอบคลุมหลายส่วนของตัวประมวลผลหรือเครือข่าย
ถันอธิบายว่าความเชื่อมโยงร่วมนี้เป็นทรัพยากรสำหรับเครือข่ายควอนตัมที่มีหลายโหนด และสำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัมแบบกระจาย โหนดคือหน่วยหนึ่ง ๆ ที่เก็บหรือประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้ ส่วนการประมวลผลแบบกระจายคือการแบ่งงานระหว่างหน่วยที่เชื่อมต่อกัน
ผู้เขียนบทความอธิบายความสำเร็จจากการทดลองไว้ในบทคัดย่อว่า
เรารายงานการสร้างและการถ่ายโอนสภาวะพัวพันหลายโหมดแท้จริงระหว่างตัวสะท้อนเสียงหลายโหมดสองตัว
ฮาร์ดแวร์นี้จึงรองรับทั้งการสร้างสถานะร่วมและการเคลื่อนย้ายสถานะดังกล่าวระหว่างอุปกรณ์เชิงกลที่แยกจากกัน ซึ่งเป็นข้อกำหนดคนละส่วนในการเชื่อมองค์ประกอบควอนตัมเสียงให้เป็นระบบขนาดใหญ่ขึ้น
คิวบิตตัวนำยิ่งยวดควบคุมหลายโหมด
นักวิจัยเชื่อมตัวสะท้อนเสียงเข้ากับคิวบิตตัวนำยิ่งยวดที่ปรับจูนได้ คิวบิตคือหน่วยข้อมูลควอนตัมที่ควบคุมได้ ในการทดลองนี้ คิวบิตทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสำหรับเตรียม จัดการ และวัดสถานะควอนตัมเชิงกล
ทีมออกแบบการกระจายความถี่ของโหมดเสียงและปฏิสัมพันธ์ระหว่างคิวบิตกับโฟนอนอย่างรอบคอบ ทำให้คิวบิตตัวนำยิ่งยวดหนึ่งตัวมีปฏิสัมพันธ์อย่างเข้มข้นกับโหมดเชิงกลหลายโหมด และช่วยให้นักวิจัยเข้าถึงรูปแบบการสั่นหลายแบบผ่านองค์ประกอบควบคุมร่วมเพียงตัวเดียว
การเชื่อมโยงอย่างเข้มข้นหมายถึงปฏิสัมพันธ์มีมากพอให้แลกเปลี่ยนข้อมูลควอนตัมภายใต้การควบคุม ก่อนที่การสูญเสียและการรบกวนที่ไม่พึงประสงค์จะครอบงำกระบวนการ การเลือกและควบคุมหลายโหมดเป็นหัวใจของการเปลี่ยนรูปแบบการสั่นจำนวนมากในตัวสะท้อนให้เป็นทรัพยากรควอนตัมที่ใช้งานได้
สถาปัตยกรรมที่ได้ผสานฮาร์ดแวร์ควอนตัมหลายชนิดเข้าด้วยกัน ได้แก่ ตัวสะท้อนเชิงกลสำหรับเก็บสถานะเสียง คิวบิตตัวนำยิ่งยวดสำหรับควบคุมสถานะ และตัวเชื่อมควอนตัมที่ปรับจูนได้สำหรับเชื่อมส่วนต่าง ๆ ของวงจร การรวมองค์ประกอบเหล่านี้ไว้บนชิปเป็นพื้นฐานของการออกแบบแบบโมดูลาร์ที่ทีมเสนอ
ตัวเลขการเตรียมสถานะบอกอะไร
บทความใน Science รายงานค่าความเที่ยงตรงต่อไปนี้สำหรับการเตรียมสถานะพัวพันเป้าหมาย:
- 2 โหมด: 0.912 ± 0.003 หรือความเที่ยงตรง 91.2%
- 4 โหมด: 0.790 ± 0.003 หรือความเที่ยงตรง 79.0%
- 6 โหมด: 0.570 ± 0.001 หรือความเที่ยงตรง 57.0%
ค่าที่ลดลงแสดงให้เห็นต้นทุนของความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น เมื่อเพิ่มจำนวนโหมดที่เข้าร่วมจาก 2 เป็น 6 โหมด ค่าความเที่ยงตรงที่วัดได้ลดลง 34.2 จุดเปอร์เซ็นต์ การเพิ่มจำนวนโหมดทำให้สถานะควอนตัมร่วมมีขนาดใหญ่ขึ้น พร้อมกับเพิ่มข้อกำหนดด้านการเตรียมและการควบคุม
ค่าความเที่ยงตรงบอกระดับความคล้ายคลึงระหว่างสถานะที่วัดได้กับสถานะเป้าหมาย ค่าความไม่แน่นอนที่ระบุหลังแต่ละตัวเลขคือความไม่แน่นอนของการวัดตามที่รายงาน นักวิจัยระบุว่าสถานะทั้งสามที่เตรียมขึ้นเป็นสถานะพัวพันแท้จริง
ผู้เขียนยังอธิบายว่าแนวทางของตนเป็นแบบกำหนดได้ หมายถึงออกแบบให้การเตรียมเกิดขึ้นผ่านลำดับขั้นตอนที่ควบคุมได้ แทนที่จะอาศัยการคัดเลือกเหตุการณ์สุ่มที่สำเร็จเป็นครั้งคราว การทำงานแบบกำหนดได้กับค่าความเที่ยงตรงเป็นตัวชี้วัดคนละด้าน ลำดับขั้นตอนที่ควบคุมได้ก็ยังอาจสร้างสถานะที่ไม่สมบูรณ์แบบ
การถ่ายโอนสภาวะพัวพันระหว่างโหนดเชิงกล
การทดลองถ่ายโอนใช้ตัวสะท้อน HBAR สองตัวที่แยกจากกัน โดยผสานเข้ากับคิวบิตตัวนำยิ่งยวดและตัวเชื่อมที่ปรับจูนได้ในสถาปัตยกรรมชิปไฮบริดเดียวกัน ทีมแลกเปลี่ยนข้อมูลควอนตัมระหว่างตัวสะท้อน และถ่ายโอนสถานะพัวพันจากโหนดเชิงกลหนึ่งไปยังอีกโหนดหนึ่ง
สำหรับสถานะที่เกี่ยวข้องกับ 2 โหมด ค่าความเที่ยงตรงในการถ่ายโอนที่รายงานอยู่ที่ 0.785 ± 0.006 ส่วนสถานะที่เกี่ยวข้องกับ 4 โหมดมีค่า 0.601 ± 0.006 หากแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ จะเท่ากับ 78.5% และ 60.1%
ผลการถ่ายโอนทำให้การทดลองขยายขอบเขตเกินกว่าการเตรียมสภาวะพัวพันภายในฮาร์ดแวร์เสียง โดยแสดงแนวทางในการย้ายสถานะควอนตัมร่วมไปยังตัวสะท้อนอีกตัว ซึ่งเป็นการทำงานที่จำเป็นเมื่อโหนดต่าง ๆ ต้องเก็บหรือประมวลผลคนละส่วนของการคำนวณ
การสาธิตการถ่ายโอนที่รายงานครอบคลุม 2 และ 4 โหมด ส่วนการขยายการถ่ายโอนไปถึง 6 โหมดยังเป็นงานขั้นต่อไป การเชื่อมต่อที่สาธิตเป็นการเชื่อมระหว่างตัวสะท้อนบนชิปเดียวกัน โดยเครือข่ายขนาดใหญ่ที่เสนอจะสร้างขึ้นด้วยการเพิ่มหน่วยฮาร์ดแวร์ที่เชื่อมต่อกัน
คิวบิตสองตัววัดสถานะเสียงที่ใหญ่ขึ้น
นักวิจัยยังพัฒนาวิธีทำโทโมกราฟีสถานะควอนตัม โดยนำคิวบิตตัวนำยิ่งยวดกลับมาใช้ซ้ำกับโหมดเสียงหลายโหมด โทโมกราฟีคือการสร้างสถานะควอนตัมขึ้นใหม่จากการวัดหลายครั้ง ซึ่งทำกับการเตรียมการทดลองซ้ำ ๆ
ขั้นตอนนี้สำคัญ เพราะการสร้างลำดับการควบคุมเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการทดลอง นักวิจัยต้องมีการวัดที่เผยให้เห็นสถานะที่สร้างขึ้นจริง รวมถึงสหสัมพันธ์ระหว่างโหมดต่าง ๆ
ทีมใช้คิวบิตตัวนำยิ่งยวดเพียง 2 ตัวทำโทโมกราฟีสถานะโฟนอนพัวพันหลายโหมด การนำทรัพยากรสำหรับการวัดเหล่านั้นกลับมาใช้กับโหมดต่าง ๆ ช่วยให้ไม่ต้องกำหนดคิวบิตสำหรับการวัดแยกต่างหากให้ทุกโหมดเสียง
ถันกล่าวว่านี่เป็นการศึกษาลักษณะเฉพาะเชิงทดลองของสถานะโฟนอนหลายโหมดที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยรายงานบนแพลตฟอร์มอะคูสติกควอนตัม ณ เวลานั้น ข้อกล่าวอ้างนี้เกี่ยวข้องกับขนาดของการสร้างสถานะขึ้นใหม่ ส่วนประโยชน์ในทางปฏิบัติคือวิธีวัดที่ใช้คิวบิตจำนวนจำกัดได้คุ้มค่ามากขึ้นเมื่อระบบเสียงขยายตัว
เหตุใดผังการวางชิปจึงสำคัญ
สถาปัตยกรรมชิปสองมิติของทีมตอบโจทย์ข้อจำกัดทางกายภาพในการขยายการทดลองเหล่านี้ การออกแบบแบบดั้งเดิมที่พึ่งพาโพรงไมโครเวฟสามมิติต้องเผชิญข้อจำกัดด้านพื้นที่และวิศวกรรม เมื่อนักวิจัยพยายามเชื่อมต่อองค์ประกอบให้มากขึ้น
ถันกล่าวว่าแนวทางชิปช่วยให้มีความเป็นโมดูลาร์ ผสานรวมได้ และรองรับการขยายตัว การจัดวางที่เสนอจะเชื่อมคิวบิตตัวนำยิ่งยวดแต่ละตัวกับตัวสะท้อนเชิงกลแยกกัน จากนั้นจึงเชื่อมคิวบิตเข้าด้วยกันผ่านตัวเชื่อมที่ควบคุมได้
ตัวสะท้อนแต่ละตัวที่เพิ่มเข้ามาอาจมีส่วนเพิ่มโหมดเสียงได้หลายโหมด ดังนั้นการออกแบบนี้จึงขยายได้สองทาง คือเชื่อมต่อโหนดตัวสะท้อนเพิ่ม และใช้โหมดที่ตัวสะท้อนแต่ละตัวรองรับให้มากขึ้น
ตัวเลขการเตรียมและการถ่ายโอนยังแสดงให้เห็นว่ายังต้องพัฒนาส่วนใดต่อไป ค่าความเที่ยงตรงลดลงเมื่อจำนวนโหมดที่เข้าร่วมเพิ่มขึ้น และค่าความเที่ยงตรงในการถ่ายโอนที่สาธิตได้ต่ำกว่าค่าการเตรียมที่สอดคล้องกัน ตัวประมวลผลขนาดใหญ่ขึ้นจะต้องรักษาสถานะที่ใช้งานได้ พร้อมกับเพิ่มทั้งจำนวนโหมดและจำนวนการเชื่อมต่อ
จากการทดลองนี้สู่เครือข่ายขนาดใหญ่
ความสำเร็จในขั้นต้นคือแพลตฟอร์มในห้องปฏิบัติการที่รวมการพัวพันหลายโหมด การถ่ายโอนระหว่างโหนดเชิงกล และการสร้างสถานะขึ้นใหม่ ลำดับขั้นตอนที่สาธิตแล้วและที่เสนอไว้มีดังนี้:
- 15 ตุลาคม 2026: บทความใน Science บันทึกการเตรียมสถานะพัวพันแท้จริงที่เกี่ยวข้องกับ 2, 4 และ 6 โหมด และการถ่ายโอนที่เกี่ยวข้องกับ 2 และ 4 โหมด
- 16 ตุลาคม 2026: สถาบันในเซินเจิ้นประกาศผลการวิจัยร่วม พร้อมอธิบายแนวทางการควบคุมและการวัด
- ขั้นต่อไปที่เสนอ: เพิ่มตัวสะท้อน HBAR และคิวบิตตัวนำยิ่งยวด โดยเชื่อมต่อผ่านตัวเชื่อมที่ควบคุมได้ เพื่อเพิ่มทรัพยากรสำหรับการพัวพัน
ทีมไม่ได้ระบุวันที่สำหรับการสร้างเครือข่ายขนาดใหญ่ขึ้น ข้อเสนอของทีมต่อยอดโดยตรงจากฮาร์ดแวร์ที่สาธิตแล้ว ได้แก่ ใช้ตัวสะท้อนเป็นโมดูล ใช้โหมดเสียงเป็นทรัพยากรควอนตัม และใช้วงจรตัวนำยิ่งยวดควบคุมและเชื่อมต่อองค์ประกอบเหล่านั้น
สำหรับงานวิจัยด้านการประมวลผลควอนตัม ผลงานนี้มีความเป็นรูปธรรม การทดลองแสดงให้เห็นว่าโหมดการสั่นหลายโหมดสามารถมีสถานะควอนตัมแท้จริงร่วมกันได้อย่างไร สถานะพัวพันเคลื่อนย้ายระหว่างตัวสะท้อนได้อย่างไร และคิวบิตสองตัวช่วยสร้างสถานะเสียงที่ใหญ่ขึ้นกลับคืนมาได้อย่างไร การเพิ่มค่าความเที่ยงตรงและจำนวนโหนดที่เชื่อมต่อกันคือข้อกำหนดขั้นต่อไปในการขยายแนวทางนี้
ประเด็นสำคัญ
- ทีมของเติ้ง ถันและผู้ร่วมวิจัยนานาชาติเตรียมสภาวะพัวพันแท้จริงที่เกี่ยวข้องกับโหมดเสียง 2, 4 และ 6 โหมด
- ค่าความเที่ยงตรงในการเตรียมอยู่ที่ 91.2%, 79.0% และ 57.0% ตามลำดับ
- ถ่ายโอนสถานะพัวพันที่เกี่ยวข้องกับ 2 และ 4 โหมดระหว่างตัวสะท้อนที่แยกจากกัน โดยมีค่าความเที่ยงตรง 78.5% และ 60.1%
- นำคิวบิตตัวนำยิ่งยวด 2 ตัวกลับมาใช้สร้างสถานะโฟนอนหลายโหมดขึ้นใหม่ด้วยวิธีโทโมกราฟี
- ทีมเสนอให้ขยายสถาปัตยกรรมชิปด้วยตัวสะท้อน คิวบิต และจุดเชื่อมต่อที่ควบคุมได้เพิ่มเติม
