تصحیح خطای کوانتومی، که مدت‌ها چالشی بزرگ در مسیر محاسبات کوانتومی بوده، شاهد پیشرفت چشمگیری بوده است. پژوهشگران هوش مصنوعی کوانتومی گوگل با افزایش تعداد کیوبیت‌های فیزیکی، به نرخ خطای کمتری در کیوبیت منطقی دست یافته‌اند، که نویدبخش گامی اساسی به سوی محاسبات کوانتومی کاربردی با استفاده از تکنیک‌های تصحیح خطای کوانتومی است.
مهار خطاهای کوانتومی: گامی بلند به سوی محاسبات کوانتومی کاربردی
آرزوی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند، در گرو حل یک چالش اساسی است: چگونه می‌توان ماشینی بی‌نقص را از اجزای ناقص ساخت. کیوبیت‌ها (qubits)، سنگ بنای این کامپیوترهای آینده‌نگر، به شدت شکننده و مستعد کوچکترین اختلالات هستند. این حساسیت به خطا، مانع اصلی در مسیر توسعه کامپیوترهای کوانتومی کاربردی بوده است. با این حال، دستاورد اخیر گوگل کوانتوم هوش مصنوعی، روزنه‌ی امیدی گشوده و گامی مهم در جهت فائق آمدن بر این مانع را نشان می‌دهد.
چالش تصحیح خطای کوانتومی
مفهوم QEC در دهه ۱۹۹۰ به عنوان راهکاری نظری برای مشکل شکنندگی کیوبیت‌ها مطرح شد. ایده اصلی، ترکیب چندین کیوبیت فیزیکی (Physical Qubit) در یک «کیوبیت منطقی (Logical Qubit)» مستحکم‌تر و واحد است. با رمزگذاری هوشمندانه اطلاعات در این مجموعه از کیوبیت‌های فیزیکی، سیستم در برابر خطاها مقاوم‌تر می‌شود. اگر یک کیوبیت فیزیکی از کار بیفتد، اطلاعات توسط سایر کیوبیت‌ها حفظ می‌شود. این فرآیند، مانند ساختن قطعه‌ای قابل اعتماد از اجزای معیوب فراوان است، نوعی کیمیاگری محاسباتی.
با این وجود، این رویکرد خالی از محدودیت نیست. اگر کیوبیت‌های فیزیکی منفرد بیش از حد مستعد خطا باشند، افزودن تعداد بیشتری از آنها می‌تواند نرخ خطای کلی کیوبیت منطقی را افزایش دهد. یک آستانه‌ی بحرانی وجود دارد: اگر نرخ خطای کیوبیت‌های فیزیکی به زیر این نقطه برسد، افزودن کیوبیت‌های بیشتر، کیوبیت منطقی را قدرتمندتر می‌کند. عبور از این آستانه، هدف دیرینه‌ی پژوهش‌ها در حوزه‌ی محاسبات کوانتومی بوده است.
موفقیت گوگل: عبور از آستانه
در دستاوردی درخشان، محققان گوگل کوانتوم هوش مصنوعی از این آستانه‌ی خطای بحرانی عبور کرده‌اند. آنها نشان دادند که با افزایش تعداد کیوبیت‌های فیزیکی مورد استفاده برای ایجاد یک کیوبیت منطقی، نرخ خطای کلی به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. این اولین نمایش تجربی از این اثر مقیاس‌پذیری حیاتی، شرط لازم برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی کاربردی است.
کد سطحی: رویکردی امیدبخش
تیم گوگل از نوع خاصی از کد QEC به نام «کد سطحی (Surface Code)» استفاده کرد. این رویکرد، کیوبیت‌ها را در ساختاری شبکه‌ای سازماندهی می‌کند و تعاملات محلی و تشخیص آسان خطا را فراهم می‌سازد. با وجود اینکه به تعداد بیشتری کیوبیت نیاز است، کد سطحی مزایای قابل توجهی از نظر کاربردی بودن و مقیاس‌پذیری ارائه می‌دهد.
سفر به سوی این موفقیت، دهه‌ها پیش با کارهای نظری الکسی کیتایف، که مفهوم کد سطحی را پیشنهاد داد، آغاز شد. بعدها، محققانی مانند جان مارتینیس و آستین فاولر، طرحی برای یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس این کد ارائه کردند. این طرح، نقشه‌ی راهی، هرچند دشوار، برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ ارائه داد. این طرح شامل مهندسی دقیق و پیشرفت‌های گام به گام در طراحی و ساخت کیوبیت بود.
از نظریه تا واقعیت: سال‌ها اصلاح و بهبود
تیم گوگل سال‌ها را صرف اصلاح و بهبود فناوری کیوبیت ابررسانای خود کرد و به تدریج تعداد کیوبیت‌ها را روی یک تراشه افزایش داد و کنترل خود را بر این اجزای حساس بهبود بخشید. در سال ۲۰۲۳، آنها آزمایش‌های اولیه را با کد سطحی انجام دادند و بهبود اندکی در نرخ خطا با مقیاس‌پذیری مشاهده کردند. با این حال، این پیشرفت ناچیز بود و امکان‌سنجی محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ را همچنان در هاله‌ای از ابهام نگه می‌داشت.
اصلاحات بیشتر در سخت‌افزار آنها منجر به توسعه یک تراشه ۷۲ کیوبیتی جدید شد. با این سخت‌افزار بهبود یافته، تیم کاهش چشمگیری در نرخ خطا هنگام افزایش مقیاس کد سطحی مشاهده کرد. کاهش ۵۰ درصدی به دست آمد که نشانگر اثر مقیاس‌پذیری حیاتی پیش‌بینی شده توسط نظریه است. آزمایش‌های بعدی با شبکه‌های حتی بزرگتر از کیوبیت‌ها این روند را تأیید کرد و شواهد قوی ارائه داد که آنها از آستانه خطا عبور کرده‌اند.
مسیر پیش رو: چالش‌ها و فرصت‌ها
در حالی که این موفقیت نشان‌دهنده‌ی گامی بلند رو به جلو است، سفر به سوی محاسبات کوانتومی کاربردی هنوز به پایان نرسیده است. ساخت یک کامپیوتر کوانتومی واقعاً مفید، نیازمند پیشرفت‌های بیشتر در چندین زمینه است. این موارد عبارتند از:
- تعاملات چند کیوبیت منطقی: نمایش فعلی شامل یک کیوبیت منطقی واحد بود. تحقیقات آینده باید چگونگی تعامل چندین کیوبیت منطقی را بررسی کند، گامی حیاتی برای محاسبات پیچیده.
- مقیاس‌پذیری بیشتر: ساخت کیوبیت‌های منطقی بزرگتر و قدرتمندتر، نیازمند پیشرفت‌های مداوم در فناوری کیوبیت فیزیکی و تکنیک‌های تصحیح خطا است. مقیاس‌پذیری به هزاران کیوبیت منطقی، که به طور بالقوه میلیون‌ها کیوبیت فیزیکی است، چالش مهندسی عظیمی را به همراه دارد.
- بررسی رویکردهای جایگزین: در حالی که کد سطحی نوید زیادی نشان داده است، سایر کدهای QEC و فناوری‌های کیوبیت به طور فعال در حال بررسی هستند. آینده محاسبات کوانتومی ممکن است شامل ترکیبی از رویکردهای مختلف باشد.
با وجود چالش‌ها، موفقیت اخیر بارقه‌ی امیدی تازه را ایجاد کرده است. نمایش مقیاس‌پذیری تصحیح خطا، شواهد محکمی ارائه می‌دهد که ساخت کامپیوترهای کوانتومی کاربردی در دسترس است. با تحقیقات و نوآوری مداوم، پتانسیل دگرگون‌کننده‌ی محاسبات کوانتومی ممکن است به زودی به واقعیت تبدیل شود.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: quanta magazine
