روش جدیدی به پژوهشگران کمک میکند تا نتایج رایانههای کوانتومی را با رایانههای معمولی بررسی کنند
روش جدیدی به پژوهشگران کمک میکند تا نتایج رایانههای کوانتومی را با رایانههای معمولی بررسی کنند.
رایانههای کوانتومی همچنان با یک مانع بزرگ در مسیر رسیدن به کاربردهای عملی روبرو هستند: توانایی محدود آنها در اصلاح خطاهای محاسباتی که در طول پردازش بهوجود میآید. برای توسعهی رایانههای کوانتومی واقعاً قابلاعتماد، پژوهشگران باید بتوانند محاسبات کوانتومی را با استفاده از رایانههای معمولی شبیهسازی کنند تا از درستی نتایج اطمینان حاصل کنند – کاری حیاتی اما فوقالعاده دشوار.
اکنون، برای نخستین بار در جهان، پژوهشگرانی از دانشگاه صنعتی چالمرز، دانشگاه میلان، دانشگاه گرانادا، و دانشگاه توکیو روشی را برای شبیهسازی انواع خاصی از محاسبات کوانتومی همراه با تصحیح خطا ارائه کردهاند – گامی مهم بهسوی فناوریهای کوانتومی پایدار و قابلاعتماد.
رایانههای کوانتومی این پتانسیل را دارند که مسائل بسیار پیچیدهای را حل کنند که هیچ ابررایانهای امروزه قادر به انجام آن نیست. در آیندهای نزدیک، انتظار میرود قدرت پردازشی فناوری کوانتومی، روشهای بنیادی حل مسئله را در حوزههایی مانند پزشکی، انرژی، رمزنگاری، هوش مصنوعی و لجستیک دگرگون کند.
با وجود این وعدهها، این فناوری با چالشی جدی روبروست: لزوم تصحیح خطاهایی که در طی محاسبات کوانتومی ایجاد میشوند. در حالی که رایانههای معمولی نیز دچار خطا میشوند، این خطاها را میتوان بهسرعت و با استفاده از تکنیکهای تثبیتشده برطرف کرد، پیش از آنکه مشکلساز شوند. اما رایانههای کوانتومی بهمراتب مستعد خطاهای بیشتری هستند، که تشخیص و اصلاح آنها نیز دشوارتر است. سیستمهای کوانتومی هنوز به سطح تحملپذیری خطا نرسیدهاند و بنابراین هنوز بهطور کامل قابلاعتماد نیستند.
برای اطمینان از صحت یک محاسبه کوانتومی، پژوهشگران آن محاسبات را با استفاده از رایانههای معمولی – مانند یک لپتاپ استاندارد – شبیهسازی یا تقلید میکنند. یکی از انواع بسیار مهم محاسبات کوانتومی که پژوهشگران علاقهمند به شبیهسازی آن هستند، محاسبهای است که بتواند در برابر اختلالات مقاومت کرده و خطاها را بهطور مؤثری اصلاح کند. با این حال، پیچیدگی بسیار زیاد محاسبات کوانتومی باعث میشود شبیهسازی آنها کاری فوقالعاده دشوار باشد – بهطوریکه در برخی موارد، حتی قدرتمندترین ابررایانههای امروزی به اندازهی عمر جهان زمان نیاز دارند تا بتوانند یک نتیجه را بازتولید کنند.
اکنون، پژوهشگرانی از دانشگاه صنعتی چالمرز، دانشگاه میلان، دانشگاه گرانادا و دانشگاه توکیو نخستین گروه در جهان هستند که روشی برای شبیهسازی دقیق نوع خاصی از محاسبات کوانتومی ارائه کردهاند – نوعی که بهطور ویژه برای تصحیح خطا مناسب است، اما تا پیش از این شبیهسازی آن بسیار دشوار بوده است. این پیشرفت، یکی از چالشهای دیرینه در پژوهشهای کوانتومی را هدف قرار میدهد.
«ما راهی برای شبیهسازی نوع خاصی از محاسبات کوانتومی کشف کردهایم که روشهای قبلی در آن موفق نبودهاند. این به این معناست که اکنون میتوانیم محاسبات کوانتومی را با کد تصحیح خطایی شبیهسازی کنیم که برای تحملپذیری در برابر خطا طراحی شده است – موضوعی که برای ساختن رایانههای کوانتومی بهتر و مقاومتر در آینده بسیار حیاتی است،» میگوید کامرون کالکلاث، دکترای فیزیک کوانتومی کاربردی در دانشگاه چالمرز و نویسنده اول مطالعهای که بهتازگی در Physical Review Letters منتشر شده است.
محاسبات کوانتومی با تصحیح خطا؛ دشوار اما حیاتی
توانایی محدود رایانههای کوانتومی در تصحیح خطا ناشی از اجزای بنیادی آنهاست – یعنی کیوبیتها – که با وجود داشتن ظرفیت عظیم برای محاسبات، بسیار حساس نیز هستند. توان محاسباتی رایانههای کوانتومی به پدیدهی مکانیک کوانتومی به نام «برهمنهی» وابسته است، به این معنا که کیوبیتها میتوانند بهصورت همزمان مقادیر ۰ و ۱، و همچنین تمامی حالتهای میانی بین آن دو را، به هر ترکیبی نگه دارند. با افزودن هر کیوبیت، ظرفیت محاسباتی بهصورت نمایی افزایش مییابد، اما در مقابل، حساسیت آنها نسبت به اختلالات نیز به شدت بالا میرود.
«حتی کوچکترین نویز از محیط اطراف، مانند لرزشها، تابش الکترومغناطیسی یا تغییر دما میتواند باعث بروز خطا در محاسبهی کیوبیتها یا حتی از دست رفتن حالت کوانتومی آنها، یعنی انسجامشان شود. در این صورت، توانایی ادامهی محاسبه را نیز از دست میدهند.» کامرون کالکلوث میگوید.
برای رفع این مشکل، از کدهای تصحیح خطا استفاده میشود تا اطلاعات میان چند زیرسامانه توزیع شود، و به این ترتیب امکان شناسایی و تصحیح خطا بدون نابود کردن اطلاعات کوانتومی فراهم شود. یکی از روشها، کدگذاری اطلاعات کوانتومی یک کیوبیت در سطوح انرژی چندگانه – یا حتی بینهایت – یک سیستم کوانتومی نوسانی است. این روش به «کد بوزونی» معروف است. با این حال، شبیهسازی محاسبات کوانتومی با کدهای بوزونی بسیار دشوار است، زیرا وجود چندین سطح انرژی باعث پیچیدگی زیادی میشود، و پژوهشگران تاکنون نتوانسته بودند آنها را با رایانههای معمولی بهطور قابل اعتمادی شبیهسازی کنند – تا اینکه اکنون این امکان فراهم شده است.
ابزار ریاضیاتی جدید، کلید راهحل پژوهشگران بود
روشی که پژوهشگران توسعه دادهاند، شامل الگوریتمی است که توانایی شبیهسازی محاسبات کوانتومی را دارد؛ محاسباتی که از نوعی کد بوزونی به نام کد Gottesman-Kitaev-Preskill (یا GKP) استفاده میکنند. این کد یکی از کدهایی است که به طور گسترده در پیادهسازیهای پیشرفته رایانههای کوانتومی به کار میرود.
«نحوهی ذخیرهسازی اطلاعات کوانتومی در این کد باعث میشود که رایانههای کوانتومی راحتتر بتوانند خطاها را اصلاح کنند، که این موضوع آنها را در برابر نویز و اختلالات مقاومتر میکند. به دلیل ماهیت عمیقاً کوانتومی این کدها، تا پیش از این شبیهسازی آنها با رایانههای کلاسیک بسیار دشوار بوده است. اما ما بالاخره موفق شدیم راه منحصربهفردی برای انجام مؤثرتر این شبیهسازی نسبت به روشهای قبلی پیدا کنیم،» جولیافرینی، دانشیار فیزیک کوانتومی کاربردی در دانشگاه چالمرز و یکی از نویسندگان این پژوهش میگوید.
پژوهشگران توانستند با استفاده از توسعه یک ابزار ریاضیاتی جدید، این کد را در الگوریتم خود به کار بگیرند. به لطف این روش جدید، اکنون میتوانند نتایج رایانههای کوانتومی را با دقت بالاتری آزمایش و اعتبارسنجی کنند.
«این کار افقهای کاملاً جدیدی را در شبیهسازی محاسبات کوانتومی میگشاید؛ محاسباتی که پیش از این قادر به آزمون آنها نبودیم، اما برای ساخت رایانههای کوانتومی پایدار و مقیاسپذیر حیاتی هستند،» جولیافرینی میافزاید.
دیدگاهتان را بنویسید