رکورد تصحیح خطا، کامپیوترهای کوانتومی را به سودمندی نزدیک‌تر می‌کند

کامپیوتر کوانتومی Helios-1 توسط Quantinuum اداره می شود

نقطه عطف دیگری در راه ساخت کامپیوترهای کوانتومی مفید و کاربردی پشت سر گذاشته شد. محققان شرکت Quantinuum از روش‌های تصحیح خطا برای ذخیره اطلاعات کامپیوتر کوانتومی Helios-1 خود با درجه بی‌سابقه‌ای از قابلیت اطمینان استفاده کرده‌اند، که پیش‌نیاز اصلی برای اجرای محاسبات پیچیده در آینده است.

کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل بسیار زیادی برای حل مشکلات و اکتشافات علمی دارند که تا کنون حتی برای بهترین ابررایانه ها نیز دور از دسترس بوده است. اما آنها هنوز این پتانسیل را درک نکرده اند، تا حدی به این دلیل که همه کامپیوترهای کوانتومی موجود خطاهای زیادی دارند. در نتیجه، محققان در سراسر جهان در حال رقابت برای روش‌های کامل تصحیح خطا هستند که در آن بلوک‌های سازنده فیزیکی رایانه‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها در گروه‌هایی به نام «کیوبیت‌های منطقی» کدگذاری می‌شوند، که احتمال خطا در هنگام استفاده برای اجرای محاسبات بسیار کمتر است.

دیوید هیز در Quantinuum و همکارانش اکنون کمترین میزان خطا را برای کیوبیت‌های منطقی نشان داده‌اند.

استیون فلامیا از مؤسسه پلی تکنیک ویرجینیا و دانشگاه ایالتی که روی این پروژه کار نکرده است، می گوید: «این قطعا یک پیشرفت فنی چشمگیر است. هیز می گوید: «این فوق العاده هیجان انگیز است.

Helios-1 شامل 98 کیوبیت است که هر کدام بر اساس یونی است که حالت کوانتومی آن با لیزر و میدان های الکترومغناطیسی کنترل می شود. برای منطقی کردن این کیوبیت ها، تیم از نوعی کدگذاری کامپیوتری به نام "کد رنگ" استفاده کرد. زمانی که کیوبیت‌ها از نظر توانایی ذخیره اطلاعات مورد آزمایش قرار گرفتند، به ازای هر میلیون استفاده از یک کیوبیت، پنج خطا مرتکب شدند. این یک پیشرفت در آزمایش‌های مشابه گذشته است، که در آن کیوبیت‌ها به ازای هر میلیون استفاده صدها خطا انجام می‌دهند.

این تیم همچنین آزمایش کردند که آیا دو کیوبیت منطقی Helios-1 می‌توانند برای یک عملیات ریاضی ساده و تصحیح شده با خطا استفاده شوند یا خیر. نرخ خطا در این وضعیت تقریبا ده برابر بیشتر بود یا حدود 7 خطا برای 100000 استفاده کیوبیت.

هیز می گوید که عملکرد رکوردشکنی Helios-1 تا حدی ناشی از بهبود کنترل تیم Quantinuum بر کیوبیت های فیزیکی است. به طور خاص، هر زمان که انرژی یک کیوبیت به روشی مضر جابه‌جا شود، که به طور طبیعی اتفاق می‌افتد اما محاسبات را دقیق‌تر می‌کند، اکنون با یک پالس لیزری ویژه برخورد می‌شود که تغییر را اصلاح می‌کند. سپس کد رنگ وارد می‌شود: از اتصالات و همبستگی‌های بین کیوبیت و چندین کیوبیت دیگر در کیوبیت منطقی استفاده می‌کند تا هرگونه خطای باقی‌مانده را تصحیح کند.

محققان همچنین نشان داده‌اند که نرخ خطای هر کیوبیت منطقی با اضافه شدن کیوبیت‌های فیزیکی بیشتر به آن کاهش می‌یابد. به طور خاص، زمانی که تیم اندازه یک کیوبیت منطقی را از 7 به 19 کیوبیت فیزیکی افزایش داد، نرخ خطا دوازده برابر کاهش یافت، با کاهش مشابه زمانی که تعداد کیوبیت فیزیکی از 19 به 37 افزایش یافت، مشاهده شد. واقعا مفید بودن

مورفی نیو از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا می‌گوید که آزمایش جدید گام بزرگی به سوی محاسبات کوانتومی تحمل‌پذیر خطا مقیاس‌پذیر یا محاسبات کوانتومی ضد خطا است.

فلامیا می‌گوید که این کار مسیری را برای ساختن چیزی تعیین می‌کند که جان پرسکیل در مؤسسه فناوری کالیفرنیا آن را ماشین «مگاکوپ» یا رایانه‌ای که قادر به انجام میلیون‌ها عملیات کوانتومی قابل اعتماد است، نامیده است. این ماشین می تواند اکتشافات علمی معناداری مانند علم مواد داشته باشد و تصور می شود مرحله مهم بعدی در تکامل کامپیوترهای کوانتومی باشد.

به گفته Flammia، نرخ خطای پایین Helios-1 برای یک ماشین مگاکوپ مناسب است، اما چیزی که باید دید این است که آیا با استفاده از کیوبیت‌های منطقی برای اجرای عملیات پیچیده‌تر ریاضی، نرخ‌ها تا این حد پایین می‌مانند یا خیر. توماس وانگ از دانشگاه کریتون در نبراسکا می‌گوید این یک عنصر مهم گمشده است تا جایی که به محاسبات کوانتومی تحمل‌پذیر خطا می‌پردازیم. سؤال از تعداد کل کیوبیت ها نیز بزرگ به نظر می رسد.

وونگ می‌گوید: «آنها فقط تقریبا 100 کیوبیت فیزیکی دارند، اما به ترتیب 100 کیوبیت منطقی برای کاربردهای مفید شناخته شده ماشین‌های مگاکوپ مورد نیاز است».

هیز به نوبه خود در مورد این چالش ها واقع بین است و می گوید که ساخت کامپیوتر کوانتومی بعدی کوانتینووم، که Sol نام دارد و تقریبا دو برابر هلیوس-1 خواهد بود، تلاش بزرگی خواهد بود. او می‌گوید: «ما همه تکالیف خود را از قبل انجام می‌دهیم.

به نظر او، آزمایش جدید بلوک‌های سازنده رایانه‌های آینده شرکت را ایجاد می‌کند. اما رقابت در صنعت محاسبات کوانتومی سخت است. تاکنون چندین تیم تحقیقاتی نمونه‌های اولیه رایانه‌های کوانتومی با بیش از هزار کیوبیت ساخته‌اند و شرکت محاسباتی کوانتومی QuEra که دستگاه‌های آن بر پایه اتم‌های بسیار سرد ساخته شده‌اند، اعلام کرده است که تا سال ۲۰۲۸ یک ماشین مگا‌کوپ می‌سازد.