خب بذارین یه خبر خیلی خفن از دنیای کامپیوترهای کوانتومی براتون تعریف کنم! دانشمندها مدت‌ها دنبالش بودن – حالا بالاخره بهش رسیدن: برا بار اول تونستن «وضعیت جادویی» رو تو «کیوبیت‌های منطقی» بسازن و تصفیه کنن.
اصلاً این قضیه چیه؟ ببینین، کامپیوترهای کوانتومی – همون کوانتوم کامپیوترها – بر پایه یه چیزهایی کار می‌کنن به اسم کیوبیت (qubit). کیوبیت‌ها یا همون بیت‌های کوانتومی مثل بیت‌های معمولی نیستن؛ اونا می‌تونن همزمان تو چند تا حالت مختلف باشن (این رو بهش می‌گن سوپرپوزیشن، یعنی مثلاً یه ذره می‌تونه همزمان هم 0 باشه هم 1 – عجیبه، نه؟).
حالا بریم سراغ اون اصطلاح «وضعیت جادویی» (Magic State). این وضعیت جادویی درواقع یه جور حالت کوانتومیه که خیلی قبل‌تر آماده‌اش می‌کنن و بعداً موقع حل محاسبه‌های فوق‌العاده سخت و پیچیده، مصرفش می‌کنن. اگه این وضعیت جادویی نباشه، کامپیوتر کوانتومی دیگه نمی‌تونه از همه‌ی قدرت عجیب و غریب فیزیک کوانتومی استفاده کنه و بیشتر شبیه یه سوپرکامپیوتر عادی کار می‌کنه!
توی دنیای کوانتومی، محاسبه خیلی آسون به هم می‌ریزه؛ به خاطر نویز، مثلاً گرما یا تابش الکترومغناطیس، کیوبیت‌ها خیلی راحت اشتباه می‌کنن. برای همین هم دانشمندها دنبال راهی بودن که این خطاها رو تصحیح کنن. این کار رو با یه چیزی به اسم تصحیح خطای کوانتومی (Quantum Error Correction – QEC) انجام می‌دن. فکر کنین تو هر هزار تا عمل کوانتومی یکی‌ش اشتباه شه، در حالی که تو کامپیوترهای معمولی این نسبت یه در یه میلیون میلیون انجام می‌شه!
اینجا کیوبیت‌های منطقی وارد می‌شن: یه جور گروه از کیوبیت‌های فیزیکی که اطلاعاتشون با هم به اشتراک می‌ذارن تا اگه یکی‌شون خراب شد، بقیه کمک کنن و گندش درنیاد. به این می‌گن افزونگی (Redundancy)، یعنی همون خاطرجمعی اطلاعات از دست نمی‌ره. اما یه نکته مهم هست: این کیوبیت‌های منطقی فقط می‌تونن عملیات ساده‌ای – که بهش می‌گن دروازه‌های کلیفورد (Clifford gates) – اجرا کنن. اینا کارهای پایه‌ای هستن، ولی چیز خارق‌العاده‌ای ازشون در نمیاد. تازه این عملیات رو می‌تونن هر سوپرکامپیوتری شبیه‌سازی کنه؛ پس هنوز اون جادوی خاص کوانتومی رو نداریم!
اینجاست که وضعیت جادویی خیلی مهم می‌شه. فقط با این وضعیت‌هاست که می‌تونیم عملیات پیشرفته به نام «دروازه‌های غیرکلیفورد» (Non-Clifford gates) رو اجرا کنیم. اینجا دیگه اون کارهایی که هیچ کامپیوتر معمولی نمی‌تونه انجام بده پیش میاد.
حالا برسیم به اصل قضیه: «تصفیه وضعیت جادویی» (Magic State Distillation). این یه روشه که وضعیت‌های جادویی بی‌کیفیت رو می‌گیرن، پالایش یا همون تصفیه‌شون می‌کنن و ازشون وضعیت‌های حسابی و باکیفیت درمیارن. خیلی شبیه اینه که نفت خام رو تصفیه کنن تا بنزین هواپیما بِگیرن!
قبلاً این تصفیه رو فقط می‌تونستن رو کیوبیت‌های فیزیکی (نه منطقی) انجام بدن و همیشه به یه سری خطا برخورد می‌کردن. واسه همین هیچ‌وقت یه کامپیوتر کوانتومی ایمن و واقعاً قوی نداشتیم که بتونه به قول خودشون «Quantum Advantage» یعنی برتری واقعی کوانتومی رو نشون بده – یعنی کاری انجام بده که هیچ سوپرکامپیوتری نتونه انجامش بده.
اما حالا قضیه فرق کرده! دانشمندهای شرکت QuEra تونستن این فرآیند تصفیه رو برای بار اول رو کیوبیت‌های منطقی انجام بدن! خبر رو تو ژورنال معتبر Nature منتشر کردن (تاریخ 14 جولای). تو مطالعه‌شون از یه کامپیوتر کوانتومی خاص به اسم Gemini که با اتم‌های خنثی کار می‌کنه، استفاده کردن (Neutral-atom quantum computer – یعنی به جای چیپ‌های معمولی، با اتم‌هایی که بار الکتریکی‌شون خنثی هست پردازش می‌کنن). اونا تونستن پنج وضعیت جادویی ناقص رو تبدیل به یه دونه وضعیت تمیز و باکیفیت کنن. تازه این کار رو هم روی کیوبیت منطقی نوع Distance-3 و هم Distance-5 انجام دادن.
خب Distance اینجا یعنی چی؟ هرچی عدد بزرگ‌تر باشه، قابلیت تشخیص و اصلاح خطای کیوبیت بهتر می‌شه. مثلاً Distance-2 فقط می‌تونه خطا رو تشخیص بده اما درستش نمی‌کنه. Distance-3 می‌تونه یه خطا رو شناسایی و اصلاح کنه. Distance-5 همین رو برای دو خطا انجام می‌ده. پس هرچی Distance بالاتر، وفاداری (Fidelity) یا همون کیفیت کیوبیت بهتر می‌شه.
نتیجه تست؟ کیفیت (Fidelity) وضعیت جادویی نهایی از همه ورودی‌ها بهتر شد؛ یعنی تصفیه واقعاً جواب داد و نشون داد که می‌شه کامپیوتر کوانتومی ایمن ساخت که برنامه‌های فوق‌پیچیده اجرا کنه.
یووال بوگر (Yuval Boger)، یکی از مدیرهای ارشد QuEra می‌گه: «کامپیوترهای کوانتومی بدون این فرآیند تصفیه وضعیت جادویی نمی‌تونن واقعا مفید باشن؛ این یه نقطه عطف مهمه.»
سرجیو کانتو (Sergio Cantu) هم – نویسنده اصلی پژوهش و معاون کوانتوم سیستم‌های QuEra – گفته: «واسه اینکه کامپیوتر کوانتومی واقعاً کار درست کنه، باید بتونه الگوریتم‌های خیلی طولانی و پیچیده رو اجرا کنه. اگه نرخ خطا بالا باشه، همه چی به داده‌ی بی‌ارزش تبدیل می‌شه! هدف از تصحیح خطا دقیقاً همینه: نرخ خطا رو کم کنه تا بشه میلیون‌ها محاسبه رو مطمئن انجام داد.»
خلاصه دانشمندها قدم بزرگی برداشتن: حالا دیگه می‌تونیم تصور کنیم یه کامپیوتر کوانتومی داریم که هم خطاهاش خیلی کمه، هم می‌تونه محاسبه‌هایی کنه که هیچ سوپرکامپیوتری از پسش برنیاد. بوگر می‌گه: «تا چند سال پیش سوال این بود: اصلا می‌شه کامپیوتر کوانتومی ساخت؟ بعدش این شد که آیا می‌تونیم خطاها رو اصلاح کنیم؟ حالا سوال اصلی اینه: می‌تونیم از این کامپیوترها واقعاً استفاده کنیم؟ با این پیشرفت، جوابش داره مثبت می‌شه!»
پس اگه دوست دارین دنیای آینده رو تصور کنین که کشف دارو، رمزنگاری، مدل‌سازی مولکول‌ها و هزار تا چیز دیگه‌ی پیچیده رو تو چند ثانیه انجام می‌دن – باید همین جادوی تصفیه وضعیت جادویی رو جشن بگیریم!
منبع: +
