19 اکتبر2023- Quantum Untangled-تصویر توسط Shutterstock
یادگیری نواختن یک ساز موسیقی با استانداردهای حرفه ای هزاران ساعت طول می کشد. شما ممکن است بتوانید «درخشش، چشمک، ستاره کوچولو» را تنها پس از چند درس بزنید، اما اجرای سطح کنسرت La Campanella یک عمر کار سخت را می طلبد. همین امر در مورد هر موفقیت انسانی صدق می کند: ما از طریق خطا، اصلاح خود و تمرین یاد می گیریم. تکرار یک ترازو بارها و بارها آن الگو را در ماهیچه ها و ذهن ما نقش می بندد و خاطرات اصلی جدیدی را شکل می دهد که با گذشت زمان ما را راهنمایی می کند تا مهارت های خود را توسعه دهیم و قطعات پیچیده تر را بدون خطا اجرا کنیم.
فرآیند مشابهی در کامپیوترهای کوانتومی در حال انجام است. آن دسته از اپراتورهای جدیدترین دستگاه‌ها دچار خطا یا «صدا» می‌شوند، دقیقاً مانند والدین کودکی که برای اولین بار ویولن را برمی‌دارد، گرفتار جیغ‌های بی‌پایان می‌شود. نویز همچنین یک مشکل برای توسعه دهندگان پردازنده های کوانتومی نسل فعلی است و حل آن مشکل آسانی نیست، نتیجه اختلالات غیرقابل پیش بینی است که در اندازه گیری ظریف کیوبیت های اوه بسیار شکننده تداخل دارد.
راه حل به شکل تصحیح خطای کوانتومی است، یک تکنیک حیاتی که امکان محاسبات کوانتومی عملی و قابل اعتماد را با شناسایی و تصحیح این خطاها فراهم می کند. با رمزگذاری هر کیوبیت منطقی در چند کیوبیت فیزیکی کار می‌کند، به این معنی که حتی اگر برخی از کیوبیت‌های فیزیکی از کار بیفتند، اطلاعات کدگذاری شده دست نخورده باقی می‌مانند. مهندسی تصحیح خطای قوی و کیوبیت‌های منطقی مقاوم در برابر خطا یکی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی است که قبل از اینکه بتوانیم مقیاس معناداری کامپیوترهای کوانتومی را آغاز کنیم، باید بر آن غلبه کرد – چالشی که کمتر شرکتی ادعا می‌کند به دستیابی به آن نزدیک است.
توسعه در فضا به همان اندازه که پیچیده است سریع است. یکی از راه‌حل‌های بالقوه محققان در ابتکار کوانتومی هاروارد مستقر در دانشگاه هاروارد شامل بررسی روش‌هایی است که رایانه‌های کلاسیک با کپی کردن مکرر داده‌های کدگذاری شده، خطاها را تصحیح می‌کنند. این پروژه توسط میخائیل لوکین، استاد فیزیک نظری هاروارد و یکی از بنیان‌گذاران استارت‌آپ‌های Quantum Diamond Technologies و QuEra Computing هدایت می‌شود.
نوآوری بزرگ لوکین شامل درهم‌تنیدگی یک گیت منطقی دو کیوبیتی با پیکربندی یک آرایه اتم خنثی به‌گونه‌ای است که بتواند به صورت پویا طرح آن را تغییر دهد. این فرآیند در اواسط محاسبه اتفاق می افتد و منجر به نرخ خطای قابل توجهی پایین تر می شود. توانایی درهم‌تنیدگی اتم‌ها با نرخ خطای کمتر از 0.5 درصد، محاسبات کوانتومی اتم خنثی را با سیستم‌های کیوبیت یون به دام افتاده و ابررسانا همتراز می‌کند. جایی که فناوری اتم خنثی برجسته تر است، اندازه نسبتا کوچک سیستم در مقایسه با سایر سیستم های مشابه، کنترل کیوبیت کارآمد آن و، به گفته هاروارد، «توانایی آن برای پیکربندی مجدد پویای طرح اتم ها» است.
Simon Evered، دانشجوی گروه Lukin، گفت: «ما مشخص کردیم که این پلتفرم دارای خطاهای فیزیکی به اندازه کافی کم است که می‌توانید دستگاه‌های با مقیاس بزرگ و تصحیح شده خطا را بر اساس اتم‌های خنثی تصور کنید. نرخ خطای ما اکنون به اندازه‌ای پایین است که اگر بخواهیم اتم‌ها را با هم در کیوبیت‌های منطقی گروه‌بندی کنیم – جایی که اطلاعات به صورت غیرمحلی در بین اتم‌های تشکیل‌دهنده ذخیره می‌شود – این کیوبیت‌های منطقی تصحیح شده با خطای کوانتومی می‌توانند حتی خطاهای کمتری نسبت به اتم‌های جداگانه داشته باشند.
جزئیات این نوآوری در آخرین شماره مجله Nature، همراه با مقاله دیگری در مورد مقاله تصحیح خطای کوانتومی توسط محققان CalTech منتشر شده است. این تیم یک “پاک کن کوانتومی” ایجاد کردند که می توانند اشتباهات سیستم های محاسباتی کوانتومی را که به عنوان خطاهای “پاک کردن” شناخته می شوند، مشخص و تصحیح کنند. این ابزار روی سیستم‌های اتم خنثی نیز کار می‌کند، مانند مورد استفاده‌شده توسط PASQAL که هفته گذشته به آن اشاره کردیم.
پاک‌کن کوانتومی CalTech روی اتم‌های برانگیخته به حالت‌های پرانرژی به نام «حالت‌های رایدبرگ» کار می‌کرد، جایی که اتم‌های همسایه شروع به تعامل با یکدیگر می‌کنند. پاسکال شول، نویسنده ارشد کال‌تک که با PASQAL کار می‌کند، توضیح داد: «اتم‌های سیستم کوانتومی ما با یکدیگر صحبت می‌کنند و درهم تنیدگی ایجاد می‌کنند. اما این معمولاً برای مدت طولانی دوام نمی آورد، او ادامه داد: در نهایت، خطایی رخ می دهد که حالت کوانتومی را می شکند.
شول گفت: «این حالت‌های درهم‌تنیده را می‌توان به‌عنوان سبدهایی پر از سیب در نظر گرفت، جایی که اتم‌ها سیب هستند. با گذشت زمان، برخی از سیب‌ها شروع به پوسیدگی می‌کنند و اگر این سیب‌ها از سبد خارج نشوند و سیب‌های تازه جایگزین شوند، همه سیب‌ها به سرعت پوسیده می‌شوند. روشن نیست که چگونه می توان به طور کامل از وقوع این خطاها جلوگیری کرد، بنابراین تنها گزینه قابل اجرا امروزه شناسایی و اصلاح آنها است.
پاک کن کوانتومی وقتی اتم های اشتباه را با لیزر برخورد می کند، روشن می کند و به سیستم در مورد خطا هشدار می دهد. که سپس اجازه می دهد آن را به اعمال پالس لیزر اضافی برای تصحیح فعال این اشتباهات عمل شود . با مکان یابی و حذف خطاها به این روش، تیم CalTech دریافتند که از هر 1000 جفت اتم تنها یک اتم موفق به درهم تنیدگی نشده است. شول توضیح داد که این میزان درهم تنیدگی را نسبت به روش های قبلی تا 10 ضریب بهبود می بخشد.
این کار حیرت‌انگیز و دلگرم‌کننده است – اما قبل از اینکه بتوانیم از قدرت رایانه‌های کوانتومی واقعاً بی‌صدا استفاده کنیم، به آزمایش‌های بیشتر، صبر و حوصله بیشتر و اشتباهات بیشتری نیاز دارد، به همان روشی که نوازندگان موفق می‌توانند بر کلارینت یا ویولن تسلط یابند. و این خوب است. زیرا، همانطور که پیت هاین، نویسنده دانمارکی به ما یادآوری می‌کند، راه رسیدن به خرد «روشن و ساده برای بیان است – اشتباه و خطا و دوباره اشتباه، اما کمتر و کمتر و کمتر می‌شود».
Quantum Untangled with Ryan Morrison
