تا حالا به کامپیوترهای کوانتومی فکر کردی؟ همونایی که قراره همه چی رو زیر و رو کنن، از رمزنگاری گرفته تا شیمی و حل مسائل عجیب‌غریب ریاضی. ولی مشکل اینجاست که این کامپیوترها خیلی حساسن و کیوبیت‌هاشون (Qubit یعنی کوچک‌ترین واحد اطلاعات کوانتومی که نسبت به بیت‌های معمولی توی کامپیوتر معمولی، خیلی تو دل بروتر و البته شکننده‌تره!) هی قاطی می‌کنن و زود حالت خودشون رو از دست می‌دن.
حالا خبر خوب اینه که یه تیم دانشمند از موسسه علوم توکیو موفقت شدن یه راهکار خفن برای این دردسر پیدا کنن. اومدن یه کد جدید اصلاح خطا ساختن به اسم LDPC – که مخفف Low-Density Parity-Check هست و در واقع یه جور الگوریتم خفن برای شناسایی و تصحیح خطاست، مخصوصاً وقتی دیتا زیاده. این کد جدید طوری کار می‌کنه که حسابی به اون مرز تئوریکال کارایی می‌چسبه (که بهش Hashing Bound می‌گن، یعنی بهترین راندمان قابل دستیابی).
چی باعث شد این کد اینقدر خاص بشه؟ دکتر “کِنتا کاسای” که خودش سرپرست پروژه بوده میگه: “کد ما می‌تونه بیشتر از نصف اطلاعات رو درست نگه داره و هدفش کنترل صدهاهزار کیوبیته!” این یعنی مثلاً اگه هزار تا کیوبیت داشته باشی، بیش از ۵۰۰ تاش همون اطلاعات واقعی رو نگه می‌دارن، بقیش صرف مراقبت و تصحیح خطا می‌شن. مهم‌تر از این، پیچیدگی محاسباتیش با تعداد کیوبیت‌ها میره بالا، اما نه مثل قدیم که اگزجره و وحشتناک می‌شد!
واقعیت اینه که توی سیستم‌های کوانتومی الان، برای اینکه یه کیوبیت منطقی (Logical Qubit یعنی در اصل همون اطلاعات واقعی و نه اضافات برای تصحیح خطا) درست کنی، باید هزاران کیوبیت فیزیکی خرجش کنی. ولی با این کدهای جدید LDPC که ساختن، تعداد بیشتری اطلاعات واقعی با تعداد کمتر کیوبیت فیزیکی ذخیره می‌شه. این یعنی تو آینده می‌تونیم میلیون‌ها کیوبیت منطقی داشته باشیم و دیگه رویاپردازی نیست!
یه نکته ی جالب دیگه: این تیم رفت سمت استفاده از “کدهای نگاره‌ای LDPC”. اینا یعنی به جای اینکه فقط دوتایی (صفر و یک) باشن، از کدهای غیردوتایی هم استفاده کردن که بتونن حجم زیادی از اطلاعات رو با دقت بالاتری نگهدارن. علاوه بر این، “تزویج آفین” (Affine Permutation) هم به کار بردن که ساختار کد رو متنوع‌تر می‌کنه و باعث می‌شه الگوریتم گیر نده به یکی دوتا الگوی خاص و سریع‌تر اجرا شه!
کدهایی که ساختن رو به نوع خاصی از کدهای کوانتومی به اسم CSS (مخفف Calderbank-Shor-Steane)، تبدیل کردن. این مدل کدها بین دانشمندای کوانتومی خیلی معروفن چون می‌تونن خطاهای مختلف رو همزمان درست کنن.
حالا برا اینکه این همه خطا رو بفهمن و برطرف کنن، یه الگوریتم مخصوص به اسم “جمع-محصول” (Sum-Product Algorithm) درست کردن که می‌تونه هم خطای بیت (Bit-Flip یعنی قر و قاطع شدن صفر و یک) و هم خطای فاز (Phase-Flip یعنی قاطی شدن جهت چرخش یا اصطلاحاً فاز کوانتوم) رو با هم شناسایی کنه و درست کنه. قبلاً خیلی از کدهای قدیمی فقط یکی از اینا رو می‌تونستن اونم تازه نه با دقت خیلی بالا.
فاز نهایی تحقیق، فوق‌العاده بود! حتی وقتی تعداد کیوبیت‌هاشون از صدها هزار تا بیشتر شد، نرخ خطا (که بهش Frame Error Rate می‌گن، یعنی چند درصد کل اطلاعات قاطی می‌شه) رو تونستن تا مرز 0.0001 پایین بیارن. این یعنی نزدیک به بهترین عملکردی که کوانتوم‌ها می‌تونن داشته باشن.
خلاصه اینکه کاسای و تیمش معتقدن که این کدها می‌تونن راه رو باز کنن برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی خیلی بزرگ با میلیون‌ها کیوبیت منطقی. این یعنی دیگه فقط توی آزمایشگاه برای سرگرمی نیست، واقعاً می‌تونیم تو آینده انتظار کامپیوترهای قابل اطمینان و مقیاس‌پذیر و کاربردی داشته باشیم.
این مطالعه خلاصه شد توی مجله علمی npj Quantum Information و امید میره با کشفیات بیشتر، بشه به ساخت کامپیوترهای کوانتومی خطاناپذیر نزدیک و نزدیک‌تر شد. چه دنیای جالب و عجیبیه! حالا حالاها باید منتظر خبرهای خفن‌تر از این حوزه باشیم.
منبع: +
