خب، بذار همین اول یه چیز مهم رو خیلی راحت بهت بگم: اگه می‌خوای کامپیوترهای کوانتومی یه روزی واقعاً برامون به درد بخورن و کارهایی بکنن که از دست ابرکامپیوترای امروزی هم برنمیاد، باید یه چیز خاص رو بتونیم توشون اجرا کنیم به اسم «وضعیت جادویی» یا Magic State. تازه کلی هم ماجرا داره که تا امروز کسی موفق نشده بود این کار رو تو کوانتوم به روشی درست انجام بده، ولی حالا قضیه عوض شده!
داستان چیه؟
اول بذار دو تا چیز رو توضیح بدم:
- اول اینکه کامپیوتر کوانتومی چیه؟ یه جور کامپیوتره که به جای بیت‌های صفر و یکِ سنتی، از کیوبیت استفاده می‌کنه. کیوبیت یعنی یه بیتِ کوانتومی که همزمان می‌تونه هم صفر باشه، هم یک (این خاصیت رو بهش می‌گن برهم‌نهی یا Superposition). یعنی اطلاعات رو خیلی موازی‌تر و عجیب‌تر پردازش می‌کنه.
- دوم اینکه «Magic State» یا وضعیت جادویی دقیقا چیه؟ خب، این یه مدل حالت خاص تو دنیای کوانتومه که از اول آماده اش می‌کنن و بعد میذارنش وسط تا قوی‌ترین الگوریتم‌های کوانتومی رو اجرا کنن. اگه این حالت نباشه، کامپیوتر کوانتومی فقط می‌تونه کارای ساده انجام بده که مثلاً با یه ابرکامپیوتر کلاسیکم قابل شبیه‌سازی‌ان!
پس چرا انقد مهمه؟ چون بدون داشتن Magic State، کامپیوتر کوانتومی هیچ‌وقت قدرت عجیب و غریبشو نشون نمی‌ده، همش گیر داده به کارای خودمون تکراری.
اما حالا چرا این Magic State انقد راحت به دست نمیاد؟
مشکل اصلی اینجاست که کیوبیت‌های فیزیکی، همشون پر از خطا و اشتباه‌ان! یعنی کارشون رو درست انجام نمی‌دن، هرچی می‌خوای برنامه پیچیده‌تر بره جلو، احتمال اینکه محاسبه بهم بریزه بیشتر میشه. مثلاً خطا تو کیوبیت‌ها تقریباً از هر هزار تا یکیه اما بیت‌های سنتی (دنیای کامپیوتر کلاسیک)، خطاشون یکی تو یه میلیون میلیون! برای همین همه محققای کوانتومی دنبال یه چیز بودن به اسم «تصحیح خطای کوانتومی» یا Quantum Error Correction (QEC). این QEC یعنی یه جوری کیوبیت‌ها رو دسته‌بندی کنن که اگه یکی‌شون خراب شد، بقیه بتونن جاش رو پر کنن و عملیات ادامه پیدا کنه. اینجوری از مجموعه کیوبیت‌های فیزیکی، چیزی به دست میاد به اسم کیوبیت منطقی یا Logical Qubit که به‌مراتب قابل اعتمادتره.
تا اینجاشو داشته باش! حالا مشکل کجاست؟
قبلاً دانشمندا می‌تونستن Magic State Distillation یا همون فرآیند تصفیه وضعیت جادویی رو فقط روی کیوبیت‌های فیزیکی انجام بدن، نه روی کیوبیت‌های منطقی. Magic State Distillation یعنی اینکه چند تا Magic State بی‌کیفیت رو بگیری و انقدر پالایششون کنی تا یکی دوتا عالی و باکیفیت ازشون دربیاد؛ مثل تقطیر نفت خام که باید از بین کلی ناخالصی بنزین خوب بکشی بیرون!
مشکل اونجاست که روی کیوبیت منطقی، تا همین الان کسی موفق نشده بود این کار رو عملی کنه، یعنی وضعیت جادویی‌های واقعی و تمیز بسازه که برای عملیات پیچیده کوانتومی لازمه. اگه روی کیوبیت منطقی Magic State نسازی، عملاً نمیشه کارت‌های کوانتومی قدرتمند انجام داد، همونایی که مثلاً بتونن عملیات موازی زیاد انجام بدن یا دست به کارایی بزنن که کامپیوتر کلاسیک اصلاً نمی‌تونه حتی شبیهسازیش کنه (که خودش یه جور «برتری کوانتومی» یا Quantum Advantage حساب میشه).
حالا چی شد؟ کوئرا (QuEra) اومد و تَهِ قضیه رو گرفت!
دانشمندا تو شرکت QuEra حالا تونستن برای اولین بار Magic State Distillation رو در کیوبیت منطقی اجرا کنن! تازه نتایجش رو هم تو مجله Nature چاپ کردن و کلی سر و صدا شد. داستان رو با دو تا کیوبیت منطقی مختلف هم امتحان کردن: یکی Distance-3 و یکی Distance-5. این اعداد یعنی چه؟ Distance تو کیوبیت‌های منطقی نشون می‌ده که چقدر خطا می‌تونن پیدا و رفع کنن: Distance-2 یعنی فقط می‌تونی خطا رو کشف کنی (نه درستش)، Distance-3 یعنی یه دونه خطا رو هم کشف، هم درست می‌کنی. Distance-5 حتی تا دوتا خطا رو هم درست می‌کنی. پس هرچی Distance بالاتر، کیوبیت قوی‌تر و پالایش بهتر.
تو این آزمایش، پنج تا Magic State نه‌چندان تمیز رو گرفتن و نهایتاً یه Magic State تمیز و پرکیفیت از دلش بیرون آوردن. جالب اینه که کیفیت (فیدلیتی fidelity) Magic State نهایی حتی از همه ورودی‌هاش بالاتر رفت. یعنی Magic State Distillation توی کیوبیت منطقی واقعاً جواب داد!
چرا این همه مهمه؟ چون الان کامپیوتر کوانتومی‌ای داریم که می‌تونه هم از کیوبیت منطقی و هم از Magic State تمیز استفاده کنه و عملیات پیچیده غیرقابل شبیه‌سازی (غیرکلیفوردی Non-Clifford Gates) انجام بده. یعنی تازه رفتیم فاز بعد: ساختن ماشین‌هایی که واقعاً از ابرکامپیوترای کلاسیک جلو می‌زنن.
کلیفورد گیت (Clifford Gate) یه سری عملیات ساده روی کیوبیت‌هاست که حتی ابرکامپیوتر کلاسیک هم می‌تونه پاشو به خاک بذاره و شبیهسازیش کنه. اما عملیات سطح بالا و عجیب (غیرکلیفوردی)، فقط با Magic State تمیز تو کیوبیت منطقی انجام میشه و تازه اونجاست که میشه قدرت واقعی کوانتوم رو نشون داد!
حالا برگ برنده دست کیه؟
همین QuEra و یه چندتا تیم دیگه نشون دادن دیگه باید از مرحله «آیا اصلاً می‌تونیم کامپیوتر کوانتومی بسازیم؟» رد بشیم، حالا وقتشه به فکر ساخت ماشین‌هایی باشیم که واقعاً برا صنعت و علم و دارو و هوش مصنوعی معجزه می‌کنن. با این موفقیت دیگه می‌تونیم سَراغ الگوریتم‌هایی بریم که کارشون انقدر سنگینه که حتی یه ابرکامپیوتر کلاسیک هم با یه عالمه انرژی نمی‌تونه شبیهسازیش کنه!
در کل، این داستان Magic State Distillation یه جورایی مثل گرفتن کلید یه قفل قدیمی بود که هر کی می‌خواست کامپیوتر کوانتومی درست‌درمون بسازه، بهش احتیاج داشت. حالا این قفل باز شده و دیگه باید کم‌کم منتظر حرکت بعدی باشیم!
راستی، یه نکته اضافه: کامپیوتر کوانتومی که دیگه واقعی باشه و یه روز تو صنعت و زندگی بیاد، احتمالاً حاصل همین جور پیشرفتای ریز و درشت تو همین سال‌های اخیراست. حالا هر وقت تو اخبار اسم Magic State یا پالایش و تصحیح خطای کوانتومی شنیدی، بدون دلیلش چیه و داری شاهد یه انقلاب علمی هستی!
منبع: +
