پاک‌سازی راه به سمت محاسبات کوانتومی قوی

محققان MIT پیشرفت قابل‌توجهی را در مسیر تحقق کامل محاسبات کوانتومی انجام داده‌اند، که تکنیکی را نشان می‌دهد که خطاهای رایج در اساسی‌ترین عملیات الگوریتم‌های 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 است که امروز در مجله فیزیکی ایکس منتشر شد، می‌گوید: «علی‌رغم پیشرفت بسیار زیاد در توانایی انجام محاسبات با نرخ خطای پایین با بیت‌های کوانتومی ابررسانا، اشتباهات در گیت های 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 حساس به تجزیه، 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 می‌دهند تا تعاملات دو کیوبیت را روشن و خاموش کرده 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، مکانیسم‌های خطای آدرس‌دهی مانند کندن یک پیاز است: ایجاد یک لایه بعدی را آشکار می‌کند. در این مورد، حتی هنگام استفاده از کوپلرهای قابل تنظیم، دروازه‌های دو کیوبیت هنوز هم مستعد خطاهایی بودند که ناشی از تعاملات باقی‌مانده بین دو کیوبیت و بین کوپلر و کیوبیت بودند. چنین تعاملات ناخواسته‌ای معمولا قبل از تورهای قابل تنظیم نادیده گرفته می‌شدند، زیرا آن‌ها برجسته نبودند -اما اکنون این کار را می‌کنند. و چون چنین خطاهای بازمانده‌ای 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 در نظر گرفته‌ایم و وفاداری تقریبا ۹/ ۹۹ درصد را برای دو نوع اصلی از دو نوع گیت کیوبیت، که به عنوان گیت‌های کنترل-Z و گیت‌های iSWAP شناخته می‌شوند، نشان داده‌ایم.» «گیت‌های با صحت بالاتر تعداد عملیات‌هایی را که فرد می‌تواند انجام دهد افزایش می‌دهند، و عملیات بیشتر به اجرای الگوریتم های پیچیده‌تر در مقیاس‌های بزرگ‌تر ترجمه می‌شود.»

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.

"کنترل و طراحی بهتر کوپلر کلیدی برای تنظیم روابط متقابل کیوبیت-کیوبیت به دلخواه ماست.

این امر می‌تواند توسط مهندسی پویای چند سطحی که وجود دارد محقق شود.

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

اولیور با اشاره به این که چنین فرایندی تنها در صورتی کار می‌کند که دروازه‌ها به اندازه کافی خوب باشند -بالاتر از آستانه وفاداری خاصی که به پروتکل اصلاح خطا بستگی دارد. ملایم‌ترین آستانه امروز حدود ۹۹ درصد است. با این حال، در عمل، فرد به دنبال جریان‌های گیت است که بسیار بالاتر از این آستانه برای زندگی با سطوح منطقی افزونه سخت‌افزار هستند.

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

او می‌گوید: «ساخت دستگاه‌های با انسجام بالا قدم اول برای اجرای کنترل کارایی 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: «از این نظر، 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 مترجم مقالات علوم کامپیوتر 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.