کامپیوتر کوانتومی گوگل در آزمایشی جدید توانست خطاها را تا 40 برابر کاهش دهد

این ماشین‌های شگفت‌انگیز ممکن است روزی مشکلاتی را حل کنند که حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های معمولی هم نمی‌توانند از عهده آن برآیند. با این حال، حالت های کوانتومی که به آنها قدرت محاسباتی فوق العاده ای می دهد بسیار شکننده هستند و کنترل خطاهای آنها یک چالش بزرگ است.

در واقع، یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً کاربردی ممکن است بخش عمده ای از منابع خود را نه برای انجام محاسبات، بلکه برای اطمینان از صحت نتایج اختصاص دهد.

اکنون محققان گوگل روش جدیدی را برای کاهش خطا در محاسبات کوانتومی معرفی کرده اند. این فناوری که کشت حالت جادویی نامیده می شود، می تواند بر یکی از موانع اصلی توسعه رایانه های کوانتومی غلبه کند.

در مقاله ای که در مجله Science منتشر شد، محققان نوشتند:

نتایج آزمایش‌های ما نشان می‌دهد که پرورش حالت‌های جادویی می‌تواند راه‌حلی عملی برای مقابله با یکی از مهم‌ترین چالش‌های محاسبات کوانتومی باشد.

حالات جادویی چگونه به کامپیوترهای کوانتومی کمک می کنند؟

کامپیوترهای کوانتومی توانایی های منحصر به فرد خود را از قوانین عجیب فیزیک که بر ذرات در کوچکترین مقیاس ها حاکم است، به دست می آورند. در رایانه های معمولی، بیت ها اطلاعات را به صورت صفر یا یک نشان می دهند. اما بیت های کوانتومی که کیوبیت نامیده می شوند را می توان قبل از اندازه گیری در برهم نهی این دو حالت قرار داد. اندازه گیری باعث فروپاشی برهم نهی و در نهایت نتیجه قطعی می شود.

حساسیت این حالت کوانتومی هم نقطه قوت و هم ضعف آن است. حالت هایی که قدرت محاسباتی این دستگاه ها را افزایش می دهند در برابر کوچکترین اختلالات محیطی آسیب پذیر هستند. در نتیجه، خطاها ممکن است به سرعت افزایش یابد و محاسبات را مختل کند.

برای کنترل این خطاها، کامپیوترهای کوانتومی به سیستم های پیچیده تصحیح خطا نیاز دارند. این سیستم ها از چند کیوبیت فیزیکی برای محافظت از اطلاعات ذخیره شده در یک کیوبیت منطقی استفاده می کنند.

با وجود این لایه محافظتی، مشکل دیگری باقی مانده است. برخی از عملیات مورد نیاز برای محاسبات پیچیده کوانتومی بسیار دشوارتر از سایر عملیات هستند و دستیابی به دقت بالا در آنها کار آسانی نیست.

فیزیکدانان مفهوم حالات جادویی را برای حل این مشکل پیشنهاد کردند. این حالت ها حالت های کوانتومی خاصی هستند که از قبل آماده شده اند و به کامپیوتر اجازه می دهند تا عملیات کوانتومی دشوار را بدون آسیب رساندن به مکانیسم تصحیح خطا انجام دهد.

با این حال، هر حالت جادویی فقط یک بار قابل استفاده است. به همین دلیل، یک کامپیوتر کوانتومی برای ادامه محاسبات به یک منبع ثابت از حالات جادویی جدید نیاز دارد.

تولید این حالت ها به تنهایی دشوار است. هنگام تهیه آنها ممکن است اشتباهاتی رخ دهد و تاکنون محققان بیشتر از روشی به نام تقطیر حالت جادویی استفاده کرده اند. در این روش، مجموعه ای از حالت های جادویی ناقص پردازش می شود تا تعداد کمتری از حالت ها با قابلیت اطمینان بالاتر به دست آید.

به نظر می رسد این روش موثر باشد، اما به سخت افزار کوانتومی گسترده و زمان پردازش قابل توجهی نیاز دارد.

راه جدید گوگل برای پرورش حالت های جادویی

در سال 2024، محققان گوگل کار روی ایده جدیدی به نام پرورش حالات جادویی را آغاز کردند. برای درک تفاوت این روش با روش های قبلی می توان آن را با کاشت گیاهان در گلخانه مقایسه کرد. در تقطیر حالت‌های جادویی، تصور کنید که گلخانه‌ای پر از بوته‌های گل رز پرورش دهید و سپس تعداد محدودی از گل‌های درجه یک را انتخاب کنید.

اما در روش رشد Magic Modes به جای پرورش گیاهان زیاد فقط یک گیاه را انتخاب کرده و با مراقبت دقیق و هرس در حین رشد آن را به بهترین حالت ممکن برسانید. اگر در هر مرحله مشکلی پیش بیاید، گیاه دور ریخته می شود و فرآیند با یک بذر تازه شروع می شود.

در نهایت یک گیاه بسیار مرغوب و بدون نیاز به گلخانه بزرگ به دست می آید. هدف این روش لزوماً تولید حالت جادویی بهتر از روش های معمولی نیست، بلکه رسیدن به وضعیتی با کیفیت مشابه با منابع کمتر است.

اکنون تیم گوگل این ایده را روی پردازنده کوانتومی Willow آزمایش کرده و به نتایج امیدوارکننده ای دست یافته است. محققان با استفاده از پرورش حالت جادویی، خطاهای مرحله آماده سازی را حدود 40 برابر کاهش دادند و موفق شدند حالت هایی را با حداقل 99.99 درصد وفاداری تولید کنند. وفاداری در اینجا معیاری است که نشان می دهد وضعیت کوانتومی تولید شده چقدر با حالت مطلوب مطابقت دارد.

البته دستیابی به چنین دقتی هزینه داشت. در دقیق ترین آزمایش ها، محققان مجبور شدند بیشتر تلاش های خود را کنار بگذارند و تنها حدود 8 درصد از نتایج را حفظ کنند.

یک مشکل غیر منتظره و یک راه حل جدید برای اندازه گیری

در طول آزمایشات، اتفاق عجیب دیگری رخ داد که منجر به یک پیشرفت کوچک اما مهم شد.

برای اثبات کارایی یک فناوری کوانتومی، محققان باید نشان دهند که روش مورد بحث در واقع نتیجه مطلوب را به همراه داشته است. این کار با حالت های جادویی پرورش یافته دشوارتر خواهد بود. زیرا اندازه گیری دقیق حالتی که خطاهای بسیار کمی دارد، چالش های خاص خود را به همراه دارد.

به گفته گوگل در یک پست وبلاگی، زمانی که اما روزنفلد، فیزیکدان کوانتومی این شرکت، برای اولین بار روش رشد حالات جادویی را آزمایش کرد، ظاهراً نتایج با قوانین فیزیک مطابقت نداشت.

بررسی علت این مشکل چندین ماه طول کشید. در نهایت مشخص شد که مشکل از روش اندازه گیری وفاداری حالت کوانتومی ناشی می شود. نوسانات کوچک در تجهیزات آزمایشگاه، از جمله تغییرات دما، ایجاد نویز کرد و روش اندازه گیری معمول تیم تحقیقاتی را غیرقابل اعتماد کرد.

در نهایت، محققان روش جدیدی به نام توموگرافی رتروگراد ابداع کردند. این تکنیک به آن‌ها اجازه داد تا قابلیت اطمینان حالت‌های کشت‌شده را بدون تأثیر اعوجاج‌هایی که اندازه‌گیری‌های قبلی را آزار داده بودند، ارزیابی کنند.

سپس، تیم تحقیقاتی نشان داد که حالت جادویی رشد یافته می تواند به یک کد تصحیح خطای کوانتومی بزرگتر منتقل شود. این دستاورد یک گام اساسی برای استفاده عملی از این حالت ها در محاسبات کوانتومی است.

البته، آزمایش کاملاً کامل نبود. زیرا انتقال وضعیت به کد بزرگتر باعث ایجاد خطاهای اضافی می شود. حل این مشکل یکی از مراحل بعدی تحقیق خواهد بود.

با این وجود، نتایج نشان می‌دهد که امکان رشد حالت‌های جادویی بر روی سخت‌افزار کوانتومی واقعی نیز وجود دارد. این روش می‌تواند جایگزین امیدوارکننده‌ای برای روش‌های پرهزینه و منابع فشرده‌ای باشد که محققان تاکنون بر آن‌ها تکیه کرده‌اند.

محققان در پایان مقاله خود نوشتند:

در نهایت، این یافته‌ها پرورش حالت‌های جادویی را از یک مطالعه نظری به یک واقعیت آزمایشگاهی تبدیل می‌کند و یک مسیر عملی برای دستیابی به محاسبات منطقی همه‌منظوره روی پردازنده‌های ابررسانا ارائه می‌کند.

نتایج این تحقیق در مجله علمی Science منتشر شده است.