حل چالش بزرگ رایانه‌های کوانتومی/ گوگل خطاهای محاسباتی را اصلاح می‌کند

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از ام آی تی تکنولوژی ریویو، طرفداران کامپیوتر‌های کوانتومی می‌گویند که این ماشین‌ها می‌توانند از اکتشافات علمی در زمینه‌های مختلف از فیزیک ذرات گرفته تا طراحی دارو و مواد بهره‌مند شوند؛ البته اگر سازندگان آن‌ها بتوانند کاری کنند که سخت افزار آن طور که انتظار دارند رفتار کند.

یکی از چالش‌های اصلی این است که کامپیوتر‌های کوانتومی می‌توانند اطلاعات را به صورت نادرست ذخیره یا دستکاری کنند و مانع از اجرای الگوریتم‌هایی شوند که به اندازه کافی مفید هستند. تحقیقات جدید گوگل کوانتوم‌ای آی و همکاران دانشگاهی آن نشان می‌دهد که آن‌ها در واقع می‌توانند مولفه‌هایی را برای کاهش این خطا‌ها اضافه کنند. پیش از این، به دلیل محدودیت‌های مهندسی، اضافه کردن اجزای بیشتر به کامپیوتر کوانتومی باعث ایجاد خطا‌های بیشتر می‌شد. در نهایت، این کار این ایده را تقویت می‌کند که تصحیح خطا یک استراتژی مناسب برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مفید است. به گفته فیزیکدانی به نام کنت براون از دانشگاه دوک که در این تحقیق شرکت نداشت، برخی منتقدان شک داشتند که این یک رویکرد موثر باشد.

کامپیوتر‌های کوانتومی با استفاده از اجسامی که طبق اصول مکانیک کوانتومی رفتار می‌کنند، داده‌ها را رمزگذاری می‌کنند. به طور خاص، آن‌ها اطلاعات را نه تنها به صورت صفر و یک، همانطور که یک کامپیوتر معمولی انجام می‌دهد، بلکه به صورت برهم نهی صفر و یک نیز ذخیره می‌کنند. ذخیره اطلاعات در قالب این برهمکنش‌ها و دستکاری ارزش آن‌ها با استفاده از برهمکنش‌های کوانتومی مانند درهم تنیدگی (راهی برای اتصال ذرات حتی در فواصل طولانی) امکان انواع کاملا جدیدی از الگوریتم‌ها را فراهم می‌کند.

با این حال، در عمل، توسعه دهندگان کامپیوتر‌های کوانتومی دریافته‌اند که خطا‌ها به سرعت ایجاد می‌شوند، زیرا اجزای آنها بسیار حساس است. یک کامپیوتر کوانتومی با قرار دادن یکی از اجزای خود در یک حالت فیزیکی خاص، صفر و یک یا برهم نهی را نشان می‌دهد و تغییر تصادفی این حالت‌ها بسیار آسان است. سپس یک جز به یک حالت فیزیکی ختم می‌شود که با اطلاعاتی که قرار است نشان دهد مطابقت ندارد. این خطا‌ها در طول زمان انباشته می‌شوند، به این معنی که کامپیوتر کوانتومی نمی‌تواند پاسخ‌های دقیقی برای الگوریتم‌های طولانی بدون تصحیح خطا ارائه دهد.

محققان برای انجام تصحیح خطا باید اطلاعات موجود در کامپیوتر کوانتومی را به شیوه‌ای متمایز رمزگذاری کنند. کامپیوتر‌های کوانتومی از اجزای منفردی به نام کیوبیت‌های فیزیکی تشکیل شده اند که می‌توانند از مواد مختلفی مانند اتم‌ها یا یون‌های منفرد ساخته شوند. در مورد گوگل، هر کیوبیت فیزیکی شامل یک مدار ابررسانا کوچک است که باید در دمای بسیار سرد نگهداری شود.

آزمایش‌های اولیه روی کامپیوتر‌های کوانتومی هر واحد از اطلاعات را در یک کیوبیت فیزیکی ذخیره می‌کردند. اکنون محققان از جمله تیم گوگل، آزمایش کدگذاری هر واحد از اطلاعات را در چندین کیوبیت فیزیکی آغاز کرده اند. آن‌ها به این مجموعه از کیوبیت‌های فیزیکی به عنوان یک کیوبیت منطقی واحد اشاره می‌کنند که می‌تواند صفر و یک یا برهم نهی این دو را نشان دهد. طبق طراحی، یک کیوبیت منطقی می‌تواند روی یک واحد از اطلاعات قوی‌تر از یک کیوبیت فیزیکی واحد قرار بگیرد. تیم گوگل خطا‌های موجود در کیوبیت منطقی را با استفاده از الگوریتمی به نام کد سطح تصحیح می‌کند که از کیوبیت‌های فیزیکی تشکیل دهنده کیوبیت منطقی استفاده می‌کند.

گوگل در مطالعه جدید خود، یک کیوبیت منطقی واحد از تعداد کیوبیت‌های فیزیکی مختلف ساخت. به طور دقیق، محققان نشان دادند که یک کیوبیت منطقی متشکل از ۱۰۵ کیوبیت فیزیکی است خطا‌ها را موثرتر از یک کیوبیت منطقی متشکل از ۷۲ کیوبیت سرکوب می‌کند.

براون می‌گوید: این نشان می‌دهد که کنار هم قرار دادن تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی در یک کیوبیت منطقی می‌تواند خطا‌ها را سرکوب کند. این نمودار یک مسیر بالقوه برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با نرخ خطای کافی پایین برای انجام یک الگوریتم مفید را نشان می‌دهد، اگرچه محققان هنوز نشان نداده اند که می‌توانند چندین کیوبیت منطقی را در کنار هم قرار دهند و به یک ماشین بزرگ‌تر مقیاس دهند.