موسسه فن‌آوری ماساچوست (MIT) پیشرفتی قابل‌توجه در جهت واقعی سازی کامل محاسبات کوانتومی داشته است

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲۴ ژوئن ۲۰۲۱
لینک منبع MIT Makes a Significant Advance Toward the Full Realization of Quantum Computation

محققان MIT پیشرفت قابل‌توجهی را در مسیر تحقق کامل محاسبات کوانتومی انجام داده‌اند، که تکنیکی را نشان می‌دهد که خطاهای رایج در اساسی‌ترین عملیات الگوریتمٰهای کوانتومی، عملیات دو کیوبیت یا «گیت» را حذف می‌کند.

یونگکیو سونگ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی MIT در مهندسی برق و علوم کامپیوتر که نویسنده اصلی مقاله‌ای درباره این موضوع منتشر شده در تاریخ ۱۶ ژوئن ۲۰۲۱ در مجله فیزیک ایکس است، می‌گوید: « علی‌رغم پیشرفت بسیار زیاد در توانایی انجام محاسبات با نرخ خطای پایین با بیت‌های کوانتومی ابررسانا، اشتباهات در گیت‌های دو کیوبیت، یکی از بلوک‌های سازنده محاسبات کوانتومی، همچنان ادامه دارد.» « ما راهی را برای کاهش شدید این خطاها نشان داده‌ایم.»

در کامپیوترهای کوانتومی، پردازش اطلاعات یک فرآیند بسیار ظریف است که توسط کیوبیت‌های شکننده انجام می‌شود، که به شدت مستعد رمزگشایی، از دست دادن رفتار مکانیکی کوانتومی خود هستند. در تحقیقات قبلی انجام‌شده توسط سونگ و گروه تحقیقاتی که او با آن‌ها کار می‌کند، مهندسی MIT سیستم‌های کوانتوم، کوپلرهای قابل تنظیم پیشنهاد شدند، که به محققان اجازه می‌دهد تا تعاملات دو کیوبیت را روشن و خاموش کنند تا عملیات خود را کنترل کنند در حالی که کوپلرهای شکننده را حفظ می‌کنند. ایده کوپلر قابل تنظیم، پیشرفت قابل‌توجهی را نشان داد و به عنوان مثال توسط گوگل به عنوان کلید اثبات اخیر خود از مزیتی که محاسبات کوانتومی بر محاسبات کلاسیک دارد، ذکر شد.

با این حال، پرداختن به مکانیسم‌های خطا مانند پوست کندن یک پیاز است: کندن یک لایه، لایه بعدی را آشکار می‌کند. در این مورد، حتی هنگام استفاده از کپلرهای قابل تنظیم، دروازه‌های دو کیوبیت هنوز هم مستعد خطاهایی بودند که ناشی از تعاملات باقی مانده بین دو کیوبیت و بین کوپلر و کیوبیت بودند. چنین تعاملات ناخواسته معمولا قبل از کپلرهای قابل تنظیم نادیده گرفته می‌شدند، زیرا آن‌ها برجسته نبودند - اما اکنون هستند. و چون چنین خطاهای پسماند با افزایش تعداد کیوبیت‌ها و گیت‌ها افزایش می‌یابد، آن‌ها در مسیر ساخت پردازنده‌های کوانتومی با مقیاس بزرگ‌تر قرار می‌گیرند. مقاله «بررسی فیزیکی X» یک رویکرد جدید برای کاهش چنین خطاهایی ارائه می‌دهد.

ویلیام دی الیور، دانشیار مهندسی برق و علوم کامپیوتر، آزمایشگاه لینکلن MIT، مدیر مرکز مهندسی کوانتوم، و مدیر آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک، خانه گروه مهندسی سیستم‌های کوانتومی می‌گوید: « ما اکنون مفهوم کوپلر قابل تنظیم را بیشتر پیش بردیم و وفاداری تقریبا ۹ / ۹۹ درصد را برای دو نوع اصلی گیت دو کیوبیتی، که به عنوان گیت های کنترل-Z و گیت های iSWAP شناخته می‌شوند، نشان داده‌ایم.» « گیت‌های با صحت بالاتر تعداد عملیات‌هایی را که فرد می‌تواند انجام دهد افزایش می‌دهند، و عملیات بیشتر به معنی پیاده‌سازی الگوریتم‌های پیچیده‌تر در مقیاس‌های بزرگ‌تر است.»

برای حذف تعاملات qubit-qubit محرک خطا، محققان سطوح انرژی بالاتر کوپلر را برای لغو تعاملات مشکل‌ساز مهار کردند. در کار قبلی، چنین سطوح انرژی کوپلر نادیده گرفته شد، اگر چه آن‌ها تعاملات دو کیوبیت غیرقابل اغماض ایجاد کردند.

سونگ می‌گوید: «کنترل و طراحی بهتر کوپلر کلیدی برای تنظیم تعامل کیوبیت-کیوبیت همانطور که ما می‌خواهیم است. این امر می‌تواند توسط مهندسی پویایی چند سطحی موجود محقق شود.»

نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی تصحیح خطا خواهند شد، به این معنی که کیوبیت‌های اضافی برای بهبود استحکام محاسبات کوانتومی اضافه خواهند شد.

الیور می‌گوید: «خطاهای کیوبیت با افزودن افزونگی می‌توانند به طور جدی برطرف شوند»، اما با این وجود خاطرنشان می‌کند كه چنین فرآیندی فقط درصورتی كار می‌كند كه دروازه‌ها به اندازه كافی خوب باشند - بالاتر از حد آستانه وفاداری كه به پروتكل تصحیح خطا بستگی دارد. «با ارفاق‌ترین آستانه امروز حدود ۹۹ درصد است. با این حال، در عمل، فرد به دنبال وفاداری‌هایی به گیت است که بسیار بالاتر از این آستانه برای زندگی با سطوح منطقی افزونگی سخت‌افزار هستند.

اولیور می‌گوید: دستگاه‌های مورد استفاده در این تحقیق، که در آزمایشگاه لینکولن MIT ساخته شده‌اند، برای دستیابی به دستاوردهای ثابت در وفاداری در عملیات دو کیوبیت اساسی بودند.

او می‌گوید: « ساخت دستگاه‌های با انسجام بالا قدم اول برای اجرای کنترل وفاداری بالا است.»

سونگ می‌گوید: « نرخ‌های بالای خطا در گیت‌های دو کیوبیت به طور قابل‌توجهی قابلیت سخت‌افزار کوانتومی را برای اجرای برنامه‌های کاربردی کوانتومی که معمولا حل آن‌ها با کامپیوترهای کلاسیک دشوار است، مانند شبیه‌سازی شیمی کوانتومی و حل مسائل بهینه‌سازی، محدود می‌کند.»

تا اینجا، تنها مولکول‌های کوچک در کامپیوترهای کوانتومی شبیه‌سازی شده‌اند، شبیه‌سازی‌هایی که می‌توانند به راحتی در کامپیوترهای کلاسیک انجام شوند.

او می‌گوید: «به این معنا، رویکرد جدید ما برای کاهش خطاهای گیت دو کیوبیت در زمینه محاسبات کوانتومی به موقع است و امروزه به پرداختن به یکی از بحرانی‌ترین مسائل سخت‌افزاری کوانتومی کمک می‌کند.»

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.