محققان دانشگاه MIT به دستاوردی جدید در فرایند تصحیح خطای کوانتومی دست یافتند

با وجود پیشرفت‌های روزافزون برای دستیابی به محاسبات کوانتومی با خطای کم، دانشمندان هنوز موفق نشده‌اند خطاهای دروازه‌های دوکیوبیتی، یکی از عناصر سازنده محاسبات کوانتومی را ازبین ببرند و مشکلات متعدد در این زمینه همچنان ادامه دارد. این دقیقا همان جایی است که تصحیح خطا اهمیت پیدا می‌کند. در محاسبات کوانتومی، روندی موسوم به «تصحیح خطا» پیشرفتی بسیار مهم محسوب می‌شود؛ زیرا کوچک‌ترین اختلال و خطا در روند محاسبات می‌تواند کل محاسبات را از بین ببرد.

به زبان ساده، تصحیح خطا این امکان را برای کامپیوتر کوانتومی فراهم می‌کند که محاسبات پایدارتری انجام دهند. این پیشرفت ازطریق غلبه ‌بر محدودیت اساسی کیوبیت‌ (عنصر اساسی ذخیره و پردازش داده در رایانش کوانتومی) حاصل می‌شود. در‌حقیقت، این فرایند برای محافظت از اطلاعات کوانتومی در‌برابر خطاهای ناشی از منسجم‌نبودن و سایر نویزهای کوانتومی استفاده می‌شود.

به‌عبارت‌دیگر، به‌‌دلیل اینکه ایزوله‌کردن حقیقی سیستم‌های کوانتومی بسیار سخت و دشوار است، سیستم‌های تصحیح خطای محاسبات کوانتومی ایجاد شده‌اند. کیوبیت‌ها بیت‌ دیجیتال داده نیستند؛ ازاین‌رو، نمی‌توان از روش‌های متداول تصحیح خطا، ازجمله روش افزونگی سه‌گانه استفاده کرد.

اکنون، تحقیقات دانشگاه MIT با رهبری یانگ‌کیو سونگ، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق، به ایجاد راه‌حلی برای کاهش خطا و نویزهای موجود منجر شده است که آن را می‌توان دستاوردی چشمگیر برای هرچه بیشتر عملیاتی‌کردن کامپیوترهای کوانتومی در نظر گرفت. در رایانه‌های کوانتومی، پردازش اطلاعات فرایندی بسیار ظریف است که کیوبیت‌های آسیب‌پذیر انجام می‌دهند و به تجزیه و از‌دست‌دادن رفتار مکانیکی کوانتومی خود بسیار حساس هستند. کیوبیت‌ها به‌راحتی به‌واسطه نیروهای خارجی آشفته و با اختلال روبه‌رو می‌شوند و فرایند تصحیح خطا نیز برای غلبه‌ بر ظرافت کیوبیت‌های فردی طراحی شده است. این فرایند به ماشین‌آلات بزرگ‌تر با تعداد بیشتری کیوبیت احتیاج دارد و سازندگان کامپیوتر کوانتومی با سرعت در حال پیشرفت در این زمینه هستند. بااین‌حال، تا به‌کارگیری تعداد زیادی کیوبیت در رایانه‌های کوانتومی فاصله بسیاری وجود دارد.

در تحقیقات قبلی سونگ و گروه تحقیقاتی‌اش، اتصال‌دهنده‌های تنظیم‌پذیر پیشنهاد شده بود که به محققان اجازه می‌داد فعل‌وانفعالات دو‌کوبیتی را خاموش و روشن کنند تا ضمن حفظ کیوبیت‌های آسیب‌پذیر، عملیاتشان را کنترل کنند. ایده اتصال‌دهنده تنظیم‌پذیر پیشرفت درخورتوجهی را نشان می‌داد و گوگل آن را قابلیت اصلی نشان‌دادن مزیت محاسبات کوانتومی درمقایسه‌با رایانه‌های کلاسیک خواند.

درحقیقت، پرداختن به مکانیسم‌های خطا را می‌توان به پوست‌کندن پیاز تشبیح کرد که پوست‌گرفتن یک لایه، لایه دیگر را نشان می‌دهد. در این حالت، حتی هنگام استفاده از اتصال‌دهنده‌های تنظیم‌پذیر دروازه‌های دوکیوبیتی هنوز مستعد خطاهایی بودند که از تعاملات ناخواسته باقی‌مانده بین دو کیوبیت و بین کیوبیت‌ها و اتصال‌دهنده حاصل می‌شد.

چنین تعاملات ناخواسته‌ای عموما قبل از اتصال‌دهنده‌های تنظیم‌پذیر نادیده گرفته می‌شدند؛ زیرا آن‌چنان مشهود نبودند؛ اما اکنون از آن‌ها به‌عنوان رکنی مهم یاد می‌شود که نادیده‌گرفتن آن‌ها به اختلال‌هایی در عملکرد کیوبیت‌ها منجر می‌‌شود و ازآنجاکه این خطاهای باقی‌مانده با تعداد کیوبیت‌ها و دروازه‌ها افزایش می‌یابد، آن‌ها مانع ساخت پردازنده‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ‌تر می‌شوند. این دقیقا همان جایی است که توجه محققان MIT روی آن معطوف شده است. ویلیام دی. اولیور، استادیار مهندسی برق و علوم کامپیوتر، عضو آزمایشگاه ام‌آی‌تی لینکلن، مدیر مرکز مهندسی کوانتوم و مدیر وابسته آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک، در‌این‌باره می‌گوید:

اکنون مفهوم اتصال‌دهنده تنظیم‌پذیر را بیشتر پیش بردیم و تقریباً به ۹۹٫۹ درصد وفاداری برای دو نوع اصلی دروازه دوکیوبیتی، معروف به دروازه‌های کنترل‌شده Z و iSWAP دست یافته‌ایم. دروازه‌های با وفاداری بیشتر، تعداد عملیاتی را افزایش می‌دهند که می‌توان انجام داد و عملیات بیشتر به‌معنی اجرای الگوریتم‌های پیچیده‌تر در مقیاس‌های بزرگ‌تر است.

گفته می‌شود محققان برای از بین‌بردن فعل‌وانفعالات موسوم به qubit-qubit که باعث ایجاد خطا می‌شوند، سطح انرژی بیشتر اتصال‌دهنده را مهار کرده‌اند تا فعل‌وانفعالات مشکل‌ساز لغو شود. در تحقیقات قبلی، چنین سطوح انرژی اتصال‌دهنده نادیده گرفته می‌شد؛ البته باید به این نکته مهم نیز اشاره کرد که آن‌ها باعث برهم‌کنش اغماض‌ناپذیر دوکیوبیتی می‌شوند. دراین‌میان، سونگ معتقد است کنترل و طراحی بهتر کوپلر (اتصال‌دهنده‌ها) فرایندی مهم محسوب می‌شود که می‌توان از آن برای تنظیم تعامل کیوبیت‌کیوبیت استفاده کرد و آن را با مهندسی پویایی چندسطحی موجود تحقق بخشید.

نسل بعدی رایانه‌های کوانتومی تصحیح خطا می‌شوند؛ بدین‌معنی که کیوبیت‌های اضافی برای بهبود قدرت محاسبات کوانتومی اضافه می‌شوند. به‌طورکلی، محاسبات کوانتومی مجموعه‌ای از دست‌کاری‌ها در حالت‌های کیوبیت را شامل می‌شود که به آن گیت منطقی کوانتومی و به دنباله‌ای از گیت‌‎ها مدار کوانتومی می‌گویند. افزایش دست‌کاری‌های گیت این امکان را فراهم می‌کند که مدار عمیق‌تر شود و توانایی محاسبات کوانتومی پیچیده‌تر به‌ارمغان بیاید. افزایش تعداد کیوبیت‌ها مقیاس رایانش انجام‌شدنی را هم به‌طور تصاعدی افزایش می‌دهد. افزودن یک کیوبیت واحد مقیاس محاسبه ممکن را دو برابر می‌کند و اضافه‌کردن دوکیوبیت چهارگانه می‌تواند مقیاس محاسبه را به‌شدت افزایش دهد.

اولیور می‌گوید: «خطاهای کیوبیت‌ با افزودن افزونگی می‌توانند به‌طور فعال برطرف شوند. بااین‌حال، چنین فرایندی فقط درصورت عملکرد پایدار دروازه‌ها بیشتر از آستانه وفاداری خاص کار می‌کند که به پروتکل تصحیح خطا بستگی دارد. باارفاق‌ترین آستانه‌های امروز حدود ۹۹ درصد هستند؛ اما درعمل، سیستم به‌دنبال وفاداری به دروازه است که بسیار بیشتر از این آستانه برای دوام‌آوردن با سطح معقول افزونگی سخت‌افزار است.»

طبق گفته او‌لیور، دستگاه‌های به‌کاررفته در این تحقیق در آزمایشگاه ام‌آی‌تی لینکلن ساخته شده‌اند و برای دستیابی به دستاوردهای نشان‌داده‌شده در وفاداری در عملیات دوکیوبیتی حیاتی بودند. وی می‌گوید ساخت دستگاه‌هایی بسیار منسجم مرحله اول اجرای کنترل با قابلیت اطمینان چشمگیر است. دراین‌میان، سونگ خاطرنشان می‌کند خطا فراوان در دروازه‌های دوکیوبیتی توانایی سخت‌افزار کوانتومی را برای اجرای برنامه‌های کوانتومی مانند شبیه‌سازی شیمی کوانتوم و حل مشکلات بهینه‌سازی که رایانه‌های سُنتی به‌سختی حل می‌شوند، به‌طور چشمگیری محدود می‌کند. وی درادامه می‌گوید:

تا این مرحله، تنها مولکول‌های کوچک روی رایانه‌های کوانتومی شبیه‌سازی شده‌اند؛ شبیه‌سازی‌هایی که به‌راحتی می‌توان آن‌ها را در رایانه‌های کلاسیک انجام داد. از این نظر، رویکرد جدید ما برای کاهش خطاهای دروازه دوکیوبیتی در زمینه محاسبات کوانتومی به‌موقع است و به رسیدگی به یکی از مسائل سخت‌افزاری مهم کوانتومی امروز کمک می‌کند.

به‌طورکلی، تمامی صاحب‌نظران این صنعت بر این باورند کامپیوتر کوانتومی با توجه به مشکلات ساخت و هزینه‌های هنگفت، به‌زودی‌ جایگزین کامپیوتر کلاسیک نخواهد شد؛ اما اعتقاد بر این است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برای طراحی صفحات خورشیدی جدید، کاهش مصرف سوخت، سرعت و دقت هوش مصنوعی، بهبود سرمایه‌گذاری مالی، کاهش هزینه‌های تحویل، کشف حالات ماده و... از مرزها و استانداردهای کنونی فراتر بروند. افزون‌براین، اخیرا دانشمندان و فیزیک‌دانان به اکتشافاتی دست یافته‌اند که می‌توان آینده روشنی را برای این غول‌های پردازشی متصور بود.