یک قدم به کامپیوترهای کوانتومی که می توانند اشتباهات خود را اصلاح کنند، نزدیک تر شد

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

محققان از Rutgers، IBM و موسسات همکار نشان داده‌اند که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند آنچه را که در داخل آن اتفاق می‌افتد بررسی کند و در حین کار به آن پاسخ دهد و به طور مکرر بخش‌هایی از سیستم را تنظیم مجدد کند تا رفتار آشفته را تحت کنترل درآورد.

این پیشرفت گامی حیاتی به سوی ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر و قابل اعتمادتر است.

کامپیوترهای کوانتومی امروزی بر اساس قوانین غیرعادی حاکم بر اتم ها و دیگر ذرات بسیار کوچک عمل می کنند. آنها روزی می‌توانند مشکلاتی را حل کنند که خارج از دسترس رایانه‌های معمولی است - طراحی باتری‌های بهتر و کاتالیزورهای صنعتی تمیزتر، شبیه‌سازی مولکول‌ها و مواد بسیار پیچیده برای رایانه‌های امروزی و اجرای برنامه‌های هوش مصنوعی خاص.

در مطالعه‌ای که در Nature Physics منتشر شد، محققان راتگرز، International Business Machines Corp و موسسات همکار نشان دادند که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند به طور مکرر قسمت‌هایی از خود را در حین کار بررسی و تنظیم مجدد کند.

این آزمایش یکی از بزرگترین نمایش‌های کنترل بازخورد کوانتومی بی‌درنگ تا به امروز است، قابلیتی که برای رایانه‌های کوانتومی آینده که دارای تحمل خطا هستند ضروری تلقی می‌شود.

مقیاس‌پذیری رایانه‌های کوانتومی به آنها نیاز دارد تا خطاها را در حین کار شناسایی و تصحیح کنند، قابلیتی که به عنوان تصحیح خطا شناخته می‌شود، که امکان ساخت یک رایانه کوانتومی مقاوم به خطا را فراهم می‌کند. یک کامپیوتر کوانتومی تحمل‌پذیر خطا می‌تواند به درستی محاسبات را ادامه دهد، حتی اگر بیت‌های کوانتومی جداگانه‌اش دائما اشتباهات کوچکی مرتکب شوند. هنوز کسی چنین دستگاهی را ساخته نیست.

جدیا پیکسلی، استاد دپارتمان فیزیک و نجوم در دانشکده هنر و علوم راتگرز و مدیر مرکز تئوری مواد، می‌گوید: «برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم در برابر خطا، ما باید این بررسی‌ها و اصلاحات را نه فقط یک یا دو بار، بلکه تعداد زیادی بار در طول یک محاسبه انجام دهیم.

پیکسلی که همچنین یکی از اعضای مؤسسه Flatiron، بخش تحقیقات علمی بنیاد سیمونز در نیویورک و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه است، گفت: "این آزمایش نقطه عطفی در آن جاده است." می گوید، "خوب، ما یک گام مهم دیگر برای رسیدن به آنجا برداشته ایم."

این کار همچنین پیش‌بینی رفتار کوانتومی را تأیید کرد. با افزایش تعداد دفعات بررسی و تنظیم مجدد رایانه واحدهای ذخیره‌سازی اطلاعات بنیادی خود که کیوبیت نامیده می‌شوند، توسط محققان افزایش یافت، سیستم به‌طور ناگهانی از هرج و مرج به حالتی که می‌توانستند کنترل کنند تغییر می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه نظم می‌تواند از بی‌نظمی بیرون بیاید.

رایانه‌های معمولی اطلاعات را در بیت‌ها ذخیره می‌کنند که هر کدام 0 یا 1 است. رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که می‌توانند در یک برهم نهی وجود داشته باشند. این بدان معنی است که آنها چندین احتمال را بین 0 و 1 نگه می دارند تا زمانی که اندازه گیری شوند، زمانی که هر کدام یک یا آن نتیجه را ایجاد می کند.

این ویژگی ها به کامپیوترهای کوانتومی قدرت بالقوه آنها را می دهد اما اطلاعاتی را که حمل می کنند بسیار حساس می کند. گرما، سیگنال های الکترومغناطیسی سرگردان، پالس های کنترل ناقص و نقص های کوچک در سخت افزار می توانند وضعیت کیوبیت را تغییر دهند. با گذشت زمان، خطاهای حاصل می‌توانند جمع شوند تا زمانی که دیگر نمی‌توان به یک محاسبه اعتماد کرد.

یکی دیگر از نویسندگان ارشد این مطالعه، مایکا تاکیتا، محقق اصلی برای تصحیح خطای کوانتومی و آزمایش‌های مدارهای دینامیکی در IBM، گفت: «چالش فقط اندازه‌گیری یک کیوبیت نبود، بلکه انجام مکرر آن در حالی که بقیه پردازنده به کار خود ادامه می‌داد، بود. این آزمایش نشان می‌دهد که سخت‌افزار امروزی می‌تواند عملیات کوانتومی، اندازه‌گیری و تنظیم مجدد هزاران بار در یک سیستم بزرگ را هماهنگ کند.

برخلاف داده های معمولی کامپیوتر، اطلاعات کوانتومی را نمی توان به سادگی کپی کرد. و اندازه گیری آن می تواند حالت مورد استفاده را تغییر دهد یا از بین ببرد. یک ماشین مقاوم در برابر خطا باید به طور مکرر خطاها را بدون از دست دادن آن اطلاعات شناسایی و تصحیح کند.

محققان این آزمایش را بر روی یک پردازنده 156 کیوبیتی IBM Quantum Heron، یکی از قدرتمندترین پردازنده‌های کوانتومی در جهان، انجام دادند و یک زنجیره متصل به 100 کیوبیت را انتخاب کردند.

آنها سیستم را طوری برنامه ریزی کردند که بین دو وظیفه رقیب متناوب شود.

اولی مانند یک درهم‌کننده عمل می‌کرد: اطلاعات را در بین کیوبیت‌های همسایه مخلوط می‌کرد و هرج و مرج را در سیستم پخش می‌کرد. این فرآیند شبیه به هم زدن مکرر یک دسته کارت است. با هر بار زدن، تشخیص ترتیب اصلی دشوارتر می شود.

وظیفه دوم به عنوان نوعی کنترل عمل کرد: رایانه تک‌بیت‌های کیوبیت را بررسی کرد و در صورت لزوم آنها را بازنشانی کرد. این بازنشانی‌ها که اغلب تکرار می‌شوند، سیستم را به سمت یک حالت ساده و منظم که توسط محققان انتخاب شده بود، سوق دادند.

به طور کلی، تیم نزدیک به 5000 عملیات را انجام داد که جفت کیوبیت را بهم متصل کرد، همراه با نزدیک به 5000 بررسی و بازنشانی. به گفته محققان، این بزرگترین نمایش موفق این رویکرد تا به امروز بوده است.

محققان کنترل کردند که رایانه چند بار هر کار را انجام می دهد. با تغییر این تعادل، آنها می‌توانستند ببینند که آیا درهم‌آمیزی یا بازنشانی کار را فرا می‌گیرد.

وقتی تقلا بیش از نیمی از زمان اتفاق افتاد، هرج و مرج پیروز شد و سیستم آشفته باقی ماند. هنگامی که بررسی و تنظیم مجدد بیشتر اتفاق می افتاد، کنترل برنده شد و محققان می توانستند کیوبیت ها را به سمت حالت منظمی که می خواستند هدایت کنند.

در حدود 50-50، یک تغییر جزئی که در آن تکلیف اغلب اتفاق می‌افتد، به طور ناگهانی کل سیستم را تغییر داد. فیزیکدانان چنین تغییر چشمگیری را انتقال فاز می نامند، مانند یخ زدن آب به یخ. در اینجا، کیوبیت ها با هم از رفتار آشفته به حالتی تغییر کردند که محققان می توانستند کنترل کنند.

جاستین ویلسون، دانشیار فیزیک در دانشگاه ایالتی لوئیزیانا و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «تغییرات کوچک می‌تواند منجر به عواقب بزرگ و تقریبا غیرممکن شود، مانند این ایده کلاسیک که پروانه‌ای در آفریقا بال می‌زند و می‌تواند در نهایت به وقوع طوفانی در لوئیزیانا کمک کند.»

"اما این رفتار خارج از کنترل را می توان با مداخله تصادفی تحت کنترل درآورد، و سرعت مشخصی وجود دارد که در آن اتفاق می افتد. واضح نبود که این انتقال بین آشوب و کنترل در فیزیک کوانتومی زنده بماند، اما نتایج ما نشان می دهد که همینطور است."

این پروژه با یک شرط بندی دوستانه در یک جشن تولد در سال 2021 برای همسر پیکسلی آغاز شد، زمانی که او هنوز در راتگرز بود و در هایلند پارک، نیوجرسی زندگی می کرد. شریرام گانشان، همکار قدیمی او، شرط بندی کرد که یک اثر کوانتومی گیج کننده مشابهی در فیزیک معمولی دارد و این گروه را به ایجاد نظریه جدیدی در مورد کنترل آشوب کوانتومی سوق داد.

گفتگوی تصادفی با باربارا جونز، فیزیکدان IBM، به تبدیل این نظریه به یک آزمایش کمک کرد. پیکسلی شرط را باخت و با دو پیمانه بستنی بلوبری پرداخت - پس از اینکه گانشان و دیگران در مرکز فیزیک آسپن در آسپن، کلرادو به او پیوستند.

پردازنده IBM به محققان این امکان را داد که نظریه خود را بر روی سیستم هایی با حداکثر 100 کیوبیت، بسیار فراتر از حدود دوجینی که می توانستند در رایانه های معمولی شبیه سازی کنند، آزمایش کنند و نتایج کاملا با پیش بینی های آنها مطابقت داشت.

هاینینگ پان، محقق فوق دکتری راتگرز در زمان مطالعه و نویسنده اول، گفت: «آنچه قابل توجه بود این بود که با مطالعه سیستم‌های بزرگ‌تر، انتقال به وضوح مشخص‌تر شد. "توافق بین آزمایش و نظریه نشان داد که این یک ویژگی تصادفی یک مدار کوچک نیست، بلکه رفتار جمعی است که در سراسر سیستم کوانتومی ظاهر می شود."

علاوه بر Rutgers و IBM، محققان وابسته به کالج شهر نیویورک، مرکز فارغ التحصیلان CUNY، دانشگاه ایالتی آیووا، آزمایشگاه ملی ایمز، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و دانشگاه ایالتی لوئیزیانا در این مطالعه مشارکت داشتند.

بیبک پوخارل و همکاران، نظم از آشوب با مدارهای تطبیقی ​​بر روی سخت افزار کوانتومی، فیزیک طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03470-6

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →