روش جادویی گوگل؛ پردازنده کوانتومی Willow خطاهای محاسباتی را ۴۰ برابر کاهش داد

پژوهشگران بخش هوش مصنوعی کوانتومی گوگل به موفقیت چشمگیری دست یافته‌اند و با نمایش موفقیت‌آمیز تکنیکی تحت عنوان «پرورش حالت جادویی» (Magic State Cultivation) روی پردازنده کوانتومی Willow، توانسته‌اند خطاها را در مقایسه با حالت‌های پرورش‌نیافته حدود 40 برابر کاهش دهند. از این دستاورد به‌عنوان گامی مهم در جهت مقیاس‌پذیری و کاربردی‌سازی محاسبات کوانتومی یاد شده است. به گفته گوگل، پژوهشگران این تیم حدود دو سال پیش ایده‌ای برگرفته از متون علمی را اصلاح و بازسازی کردند که در نهایت به روش «پرورش حالت جادویی» منتهی شد. سازوکار این تکنیک مانند یک فیلتر عمل می‌کند؛ به این صورت که ابتدا یک حالت نویزدار به بخش کوچکی از تراشه کوانتومی تزریق می‌شود، سپس با اجرای مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌ها، خطاهای موجود بررسی و تلاش‌های ناموفق و دارای نقص حذف می‌شوند. از نظر تئوری، این راهکار امکان پرورش یک حالت کوانتومی خالص و کم‌خطا را فراهم می‌کند که قابلیت انطباق با رمزگذاری‌های بزرگ‌تر را دارد. رفع گلوگاه تاریخی پردازش کوانتومی در پردازنده Willow پیاده‌سازی این رویکرد به ابداعات فنی جدید متعددی نیاز داشت. گوگل در این خصوص اعلام کرده که با تکیه بر این متد، نوآوری‌های الگوریتمی پرتعداد و راه‌حل‌های مهندسی، استاندارد جدیدی در علم اندازه‌گیری کوانتومی ثبت شده است. این پروتکل روی پردازنده کوانتومی Willow توانسته به کاهش خیره‌کننده 40 برابری خطا نسبت به حالت‌های بدون پرورش دست پیدا کند و «حالت‌های T» (حالت‌های کوانتومیِ کلیدی برای اجرای محاسبات خطاپذیر) را با دقت منطقی رکوردشکن 99.99 درصد ثبت کند. گوگل تأکید کرده که محققان از سال 2004 میلادی متوجه وجود گلوگاهی جدی در اجرای برنامه‌های کاربردی روی کامپیوترهای کوانتومی بوده‌اند. برای اجرای برنامه‌های مفید روی این سیستم‌ها، لازم است مجموعه‌ای خاص از عملیات‌های کوانتومی را با تصحیح خطا و از طریق ساخت حالت‌های جادویی پیاده کرد؛ حالت‌هایی که امکان فراتر رفتن از مرزهای محاسبات کلاسیک را ممکن می‌کنند. با‌این‌حال، تولید این حالت‌ها منابع سرسام‌آوری مصرف می‌کند، تا جایی که طبق برخی برآوردها، ساخت آنها ممکن است به 95 درصد از کل ظرفیت یک کامپیوتر کوانتومی نیاز داشته باشد و فضای اندکی برای محاسبات اصلی باقی بگذارد. روش تشریح‌شده توسط گوگل که مقاله آن در نشریه ساینس (Science) منتشر شده، اثبات می‌کند که می‌توان ردپای فیزیکی کیوبیت‌های مورد نیاز برای محاسبات مقاوم در برابر خطا را به میزان چشمگیری کاهش داد. البته به‌کارگیری گسترده این متد مستلزم آزمایش‌های بیشتری در ابعاد بسیار وسیع‌تر خواهد بود. گوگل خاطرنشان کرده که نخستین گام‌ها برای تطابق تئوری‌ها با زیرساخت کوانتومی این شرکت برداشته شده است، اما برای ورود به فاز عملیاتی، هنوز باید پرورش این حالت‌ها در مقیاس بزرگ‌تر به اثبات برسد و چالش‌های فنی زیادی نیز پیش رو قرار دارد. بااین‌حال، دستاورد کنونی نقطه عطفی مهم در این حوزه به حساب می‌آید.