محققان با افزونگی کیوبیت‌های منطقی به گام مهمی در کاهش خطای کوانتومی دست یافتند

قطعا اگر علاقه‌مند به رایانش کوانتومی باشید، می‌دانید که درحال‌حاضر چالش‌های متعددی وجود دارد که دانشمندان را از ساخت رایانه‌های کوانتومی کاربردی باز می‌دارد. برای مثال، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها در برابر خطا آسب‌پذیر هستند و این خطاها از منابع مختلف نظیر عدم پیوستگی کوانتومی، تداخل و کالیبراسیون ناقص ناشی می‌شوند.

دانشمندان برای مقابله با این موضوع، به تئوری تصحیح خطای کوانتومی روی می‌آورند که امکان محاسبات را درحالی‌که هم‌زمان از داده‌های کوانتومی در برابر چنین خطاهایی محافظت می‌کند، تصریح می‌کند. در کامپیوتر‌های سنتی، این مشکلات در اغلب مواقع با افزودن بیت توازن حل می‌شود. بیت توازن یا بیت همزادی بیتی منفرد است که می‌تواند به رشته‌ای باینری اضافه شود. درواقع، برای نشان‌دادن زوج یا فرد بودن تعداد بیت‌هایی که ۱ هستند، به بیت‌ها اضافه می‌شود و هدف از آن برابری ارائه روشی ساده برای بررسی خطاهای بعدی است.

روش مذکور به‌دلیل ماهیت متفاوت کیوبیت‌ها در کامپیوتر‌های کوانتومی کارساز نیست و تلاش برای اندازه‌گیری آن‌ها داده‌ها را از بین می‌برد. تحقیقات اخیر حاکی از آن بودند که یکی از راه‌حل‌های ممکن برای این مشکل، می‌تواند گروه‌بندی کیوبیت‌ها به خوشه‌هایی به نام کیوبیت‌های منطقی باشد. کیوبیت منطقی، کیوبیتی فیزیکی یا انتزاعی است که با‌‌‌توجه‌‌‌‌‌به الگوریتم‌های کوانتوم یا مدار کوانتومی مشخص‌شده عمل می‌کند و بسته به تبدیل واحد از زمان انسجام کافی برخوردار است تا گیت‌های منطقی کوانتوم از آن‌ بتوانند استفاده کنند.

گفتنی است هر کیوبیت منطقی می‌تواند به هزار کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد. برای مثال، محاسبات کوانتومی مهم ازجمله الگوریتم‌های Shor که برای شکستن رمزگذاری کنونی استفاده می‌شود، به هزاران کیوبیت منطقی نیاز دارد. پروفسور لئوناردو دی کارلو از مؤسسه تحقیقاتی QuTech توضیح می‌دهد:

دو قابلیت، یک کامپیوتر کوانتومی تصحیح خطاشده را از پردازنده‌های کوانتومی با مقیاس متوسط ​​(NISQ) امروزی متمایز می‌کند: در وهله نخست، چنین کامپیوتری اطلاعات کوانتومی رمزگذاری‌شده در کیوبیت‌های منطقی را به‌جای کیوبیت‌های فیزیکی پردازش می‌کند (هر کیوبیت منطقی شامل بسیاری از کیوبیت‌های فیزیکی است) و درنهایت، محافظت از اطلاعات رمزگذاری‌شده در حین پردازش آن‌ها را به‌ارمغان می‌آورد.

به‌طور کلی، می‌توان از کیوبیت‌های منطقی به‌عنوان ابزاری مناسب برای تصحیح خطا استفاده کرد؛ اما جالب است بدانید کیوبیت‌هایی که اضافه می‌شوند، خود مستعد خطا هستند و با افزوده‌شدن آن‌ها مشکلات نیز گسترش می‌یابد. به نقطه‌ای که استفاده از چنین رویکردی عملی نیست، «آستانه» می‌گویند.

از لحاظ تئوری، می‌توان با نرخ خطای منطقی به‌صورت تصاعدی مقابله کرد، مشروط بر اینکه بروز خطاهای فیزیکی زیر آستانه و مدارهای عملیات منطقی و تثبیت تحمل خطا داشته باشند؛ بنابراین ایده اصلی این است که با افزایش افزونگی و استفاده از کیوبیت‌های بیشتر برای رمزگذاری داده‌ها، خطای خالص کاهش یابد. محققان TU Delft به‌همراه همکارانشان در مؤسسه‌ی TNO اکنون با استفاده از یک کیوبیت منطقی متشکل از هفت کیوبیت فیزیکی (ترانسمون‌های ابررسانا)، به نقطه‌ی عطف بزرگی به سوی این هدف دست یافته‌اند. پروفسور باربارا ترهال یکی از متصدیان پروژه مذکور دراین‌باره می‌گوید:

ما نشان می‌دهیم که می‌توانیم تمام عملیات مورد نیاز برای محاسبات را با اطلاعات رمزگذاری‌شده انجام دهیم. این ادغام عملیات منطقی با انسجام بالا و طرحی مقیاس‌پذیر برای تثبیت مکرر، یک گام کلیدی در تصحیح خطای کوانتومی است.

خورخه مارکز، نخستین نویسنده ممقاله علمی یادشده می‌افزاید: «ما اکنون نشان می‌دهیم که می‌توانیم محاسبه انجام دهیم و این همان کاری است که یک کامپیوتر مقاوم در برابر خطا در نهایت باید انجام دهد: پردازش و محافظت از داده‌ها در برابر خطاها به‌طور هم‌زمان. ما سه نوع عملیات منطقی کیوبیت انجام داده‌ایم که شامل مقداردهی اولیه کیوبیت منطقی در هر حالت، تبدیل آن با مدارها و اندازه‌گیری آن‌ها می‌شود. نشان دادیم که تمامی عملیات را می‌توان مستقیما روی اطلاعات رمزگذاری‌شده انجام داد و برای هر نوع، عملکرد بالاتری را برای خطا مشاهده کردیم. دراین‌میان، عملیات تحمل خطا، کلیدی برای کاهش تجمع خطاهای فیزیکی کیوبیت به خطاهای منطقی کیوبیت است.»

دی کارلو می‌گوید هدف بزرگ آن‌ها این است که نشان دهند با افزایش افزونگی رمزگذاری، نرخ خطای خالص در واقع به‌صورت تصاعدی کاهش می‌یابد. از قرار معلوم، تمرکز فعلی آن‌ها روی ۱۷ کیوبیت فیزیکی است و در آینده، احتمالا کیوبیت‌ها به ۴۹ عدد نیز افزایش خواهد یافت.