تصحیح خطاهای کامپیوتر کوانتومی ممکن است پیچیده تر از حد انتظار باشد

مدلی از کامپیوتر کوانتومی سیستم دو کوانتومی IBM

کامپیوترهای کوانتومی تا زمانی که محققان روش‌هایی را برای تصحیح خطاهایی که این دستگاه‌ها به‌طور طبیعی انجام می‌دهند، کامل نکنند، مفید نخواهند بود. تکنیک‌های تصحیح خطای کوانتومی (QEC) در سال‌های اخیر به سرعت پیشرفت کرده‌اند، اما چندین مطالعه نشان می‌دهند که چشم‌انداز خطاهایی که باید با آنها مقابله کنند، به‌طور غیرمنتظره‌ای پیچیده است، که چالش‌های جدیدی را برای عملی کردن رایانه‌های کوانتومی ایجاد می‌کند.

ایده QEC به همان آغاز محاسبات کوانتومی و اولین تحقیقات در مورد چگونگی کارکرد کامپیوترهای کوانتومی برمی گردد. در آن زمان، هیچ کس یک کامپیوتر کوانتومی ساخته نبود، بنابراین محققان برای بررسی اینکه چگونه خطاها را می توان به خوبی تصحیح کرد، و این تصحیح خطا به رایانه ها اجازه می دهد تا به طور قابل اعتمادی کدام محاسبات را انجام دهند، به نظریه ریاضیات تکیه کردند. اکنون کامپیوترهای کوانتومی وجود دارند و داده‌های مربوط به خطاهای آنها به سرعت در حال جمع‌آوری است.

محققان به طور فزاینده ای متوجه می شوند که انواعی از خطاها وجود دارد که تحقیقات قبلی نادیده گرفته شده بودند و می توانند پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی را تهدید کنند.

کامپیوترهای کوانتومی از بلوک‌هایی به نام کیوبیت ساخته شده‌اند و کیوبیت‌ها به دلیل حساس بودن به تعامل با محیط خود دچار خطا می‌شوند. یک فرض دیرینه در مورد این خطاها - فرض مارکوف - این است که آنها بدون حافظه هستند: خطاهایی که یک کیوبیت در مقاطع مختلف زمانی انجام می دهد، همبستگی ندارند.

لورنزا ویولا از کالج دارتموث در نیوهمپشایر می‌گوید اثرات حافظه برای عملکرد مفید رایانه‌های کوانتومی مضر است، زیرا به این معناست که تکرار یک کیوبیت در زمان‌های مختلف ممکن است به نتایج متفاوتی بر اساس آنچه محیط آن «به خاطر می‌آورد» منجر شود. مثل اینکه با ضرب یک عدد در 2 یک مقدار در حال حاضر و مقداری دیگر بعدا بدست می آید. فرض مارکف چنین فرض می‌کند که این اتفاق یا هرگز یا در تعداد کمی از موارد رخ نمی‌دهد، که به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد برنامه‌های طولانی‌تری را اجرا کنند. اما به طرز نگران کننده ای، به نظر می رسد این فرض نادرست است.

اثرات حافظه همچنان در آزمایش ها ظاهر می شود.

اخیرا، ایوان پاپ در مؤسسه فناوری کارلسروهه و دانشگاه اشتوتگارت در آلمان و همکارانش یک روش اندازه‌گیری را توسعه دادند که نقایص بسیار طولانی‌مدتی را کشف کرد - حالت‌های کوانتومی جعلی که از نقص‌های ماده، مولکول‌های سرگردان یا چندین منبع دیگر ناشی می‌شوند - در یک محیط کیوبیت ابررسانا، که هر یک می‌توانند به عنوان یک حافظه عمل کنند. او می‌گوید: «ما به‌طور مشخص نشان می‌دهیم که چگونه این محیط طولانی مدت می‌تواند یکی از فرضیات تصحیح خطا را بشکند.

در اوایل سال جاری، رامی بارندز در Forschungszentrum Jülich GmbH در آلمان و همکارانش نوع متفاوتی از کیوبیت ابررسانا را مورد مطالعه قرار دادند و نقض های مشابهی از فرض مارکوف پیدا کردند.

این فرض در سطح کل کامپیوترهای کوانتومی نیز به چالش کشیده شده است. در سال 2025، جان فیدل کام در آژانس علم، فناوری و تحقیقات در سنگاپور، کاوان مودی در دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور، محمد عثمان در دانشگاه موناش استرالیا و همکارانشان یک آزمایش کلیدی تصحیح خطا را با رایانه کوانتومی Willow Google تجزیه و تحلیل کردند. آنها دریافتند که برخی از خطاهایی که تصحیح یا توضیح آنها دشوار است با مدل نظری که فرض مارکف در آن صادق نیست مطابقت دارد. محیط کیوبیت ها غیر مارکویی بود.

در تحلیل دیگری، گرگوری کویروز از دانشگاه جانز هاپکینز در مریلند و همکارانش دریافتند که مدلی شامل اثرات غیرمارکوویی یک کامپیوتر کوانتومی IBM را نشان می‌دهد که آن‌ها از طریق ابر به آن دسترسی دارند هفت برابر بهتر از مدل‌های نویز که معمولا در مطالعات تصحیح خطا استفاده می‌شوند. IBM و گوگل به درخواست New Scientist برای اظهار نظر پاسخ ندادند.

ویولا در کار با همکارانش دریافته است که بخش‌هایی از محیط کیوبیت که می‌توانند «به خاطر بسپارند» علاوه بر این می‌توانند به تنهایی به عنوان سیستم‌های کوانتومی عمل کنند و به یک کیوبیت «پاسخ دهند». این یک نوع جدید از خطا را معرفی می کند - اثر دیگری که رویکردهای QEC در حال حاضر آن را در نظر نمی گیرند.

این کار مقدماتی است، اما ویولا می‌گوید که از آنجایی که کامپیوترهای کوانتومی به سرعت در حال بهبود هستند، اثرات نامربوط قبلی می‌تواند اهمیت فزاینده‌ای پیدا کند. مودی فکر می‌کند هنوز برای به صدا درآوردن زنگ هشدار زود است، اما او می‌گوید که در حال حاضر هیچ تضمینی، چه تجربی و چه تئوری، وجود ندارد که با افزایش تعداد کیوبیت‌های کامپیوترهای کوانتومی، مشکل بدتر نشود.

او می‌گوید: «احتمالی وجود دارد که تصحیح خطا کار نکند زیرا نویز مرتبط [اثرات حافظه] در نظر گرفته نشده است». ما به طور کامل نمی دانیم کجا خراب می شود، تا حدی به این دلیل که توصیف نویز پیچیده دشوار است.

قضایای ریاضی وجود دارد که نشان می دهد یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به تحمل خطا برسد - حالتی از عملکرد که خطاها مانع آن نمی شود - حتی زمانی که اثرات حافظه وجود داشته باشد و خطاها در زمان یا مکان همبستگی داشته باشند. اما ویولا می‌گوید که این همبستگی‌ها تا چه حد می‌توانند قوی باشند قبل از تبدیل شدن به یک مشکل، یک سوال باز دیگر است. آمیت هاگار از دانشگاه بلومینگتون ایندیانا می‌گوید که وضعیت لزوما سیاه و سفید نیست و روش‌های استاندارد تصحیح خطا می‌توانند کار کنند، بلکه فقط برای محاسبات با طول یا پیچیدگی معین.

این می تواند وعده کامپیوتر کوانتومی را به عنوان ماشینی که می تواند محاسبات خودسرانه طولانی را انجام دهد، تضعیف می کند. او می‌گوید برای هر شرکتی که تلاش می‌کند یک شرکت بسازد، اکنون بار اثبات به عهده محققانشان است. هاجر می‌گوید: «آنها قول خود را بر یک قضیه استوار می‌کردند که مشروط بود، و در حال حاضر ممکن است این شرط کارساز نباشد».

از نظر عثمان، آینده نسبتا باز است زیرا برنامه‌هایی که محققان برای تصحیح خطای کوانتومی استفاده می‌کنند، خود در کنار سخت‌افزار محاسبات کوانتومی در حال تکامل هستند. او می‌گوید تا همین اواخر، برنامه‌های QEC که قدمت آن‌ها به دهه 1990 بازمی‌گردد، استاندارد طلایی بودند، اما کلاس کاملا جدیدی از کدها به نام QLDPC اکنون مورد توجه قرار گرفته‌اند، و او می‌گوید که چقدر خوب در مواجهه با خطاهای مرتبط کار می‌کنند، هنوز مشخص نیست. او می‌گوید: «قبل از اینکه ادعایی در مورد اینکه آیا تصحیح خطا کار می‌کند یا خیر، چیزهای بیشتری برای بررسی و مطالعه وجود دارد.

پاپ می‌گوید: «کدهای تصحیح خطا می‌توانند با خطاهای غیرمارکوویی سازگار شوند. آنها باید با آن سازگار شوند. همکارش نیکلاس گاسلینگ در مؤسسه فناوری کارلسروهه می‌گوید تکنیک اندازه‌گیری که او و همکارانش اخیرا توسعه داده‌اند می‌تواند در اینجا نقش داشته باشد زیرا ممکن است تیم‌های دیگر را قادر به شناسایی اثرات حافظه در دستگاه‌های خود و طراحی استراتژی‌هایی برای اجتناب از آنها کند. به گفته کام، خطاهای مرتبط نیز می‌توانند با تنظیم الگوریتم‌های رایانه‌ای معمولی که رایانه‌های کوانتومی را کنترل می‌کنند و خروجی آن‌ها را می‌خوانند، کاهش دهیم.

بنابراین، راه‌های مختلفی برای مقابله با این دسته از خطاهای نادیده گرفته شده وجود دارد. محققانی که آنها را مطالعه می کنند می گویند که آنها لزوما یک مشکل غیرقابل حل را کشف نکرده اند - تا زمانی که جدی گرفته شود. پاپ می گوید: «تاکنون این مورد در رادار بسیاری از مردم نبود.