نفس تازه برای تراشه‌های کوانتومی: پیوندهای نویزی هم کارسازند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، سال‌هاست که بزرگترین مانع در محاسبات کوانتومی، مقیاس‌پذیری بوده است. در حالی که پردازنده‌های کوانتومی می‌توانند شبیه‌سازی‌های پیچیده در شیمی، علوم مواد و امنیت داده‌ها را انجام دهند، اکثر آنها برای کاربرد‌های در مقیاس بزرگ بسیار کوچک و شکننده هستند.
یک مطالعه جدید به رهبری دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، نشان می‌دهد که این وضعیت ممکن است در حال تغییر باشد.
محققان از طریق شبیه‌سازی‌ها نشان دادند که چندین تراشه کوانتومی کوچک می‌توانند به یکدیگر متصل شوند و یک سیستم عملکردی ایجاد کنند، حتی اگر اتصالات بین آنها بی‌عیب و نقص نباشد.
این یافته به مسیری برای ساخت رایانه‌های کوانتومی بزرگتر و مقاوم در برابر خطا، زودتر از آنچه انتظار می‌رود، اشاره دارد.
محمد‌ای. شالبی، نویسنده اول مقاله و کاندیدای دکترا در دانشکده فیزیک و نجوم دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، گفت: «کار ما اختراع یک تراشه جدید نیست.
این نشان می‌دهد که تراشه‌هایی که از قبل داریم می‌توانند به هم متصل شوند تا چیزی بسیار بزرگتر ایجاد کنند و همچنان کار کنند. این یک تغییر اساسی در نحوه ساخت سیستم‌های کوانتومی است.»
مقیاس‌پذیری، در این زمینه، به معنای مدیریت حجم فزاینده‌ای از داده‌ها بدون از کار افتادن است. تحمل خطا به توانایی سیستم در تشخیص و اصلاح خودکار خطا‌ها اشاره دارد. این دو با هم، ستون فقرات محاسبات کوانتومی قابل اعتماد را تشکیل می‌دهند.
تراشه‌ها متصل شدند، خطا‌ها اصلاح شدند
در عمل، اتصال تراشه‌های کوانتومی دشوار بوده است، زیرا لینک‌های بین پردازنده‌های جداگانه معمولاً نویزدار هستند، به خصوص وقتی که در یخچال‌های برودتی مختلف قرار می‌گیرند.
شالبی توضیح داد: «اتصالات بین تراشه‌های جداگانه - به ویژه آنهایی که در یخچال‌های برودتی جداگانه قرار دارند - بسیار پر سر و صداتر از عملیات درون یک تراشه واحد هستند. این افزایش سر و صدا می‌تواند سیستم را تحت الشعاع قرار دهد و از عملکرد صحیح تصحیح خطا جلوگیری کند.»
با این حال، تیم تحت رهبری دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، دریافت که حتی وقتی لینک‌های بین تراشه‌ها تا ۱۰ برابر نویزدارتر از خود تراشه‌ها باشند، سیستم همچنان می‌تواند خطا‌ها را تشخیص داده و اصلاح کند.
شالبی گفت: «این یعنی لازم نیست منتظر سخت‌افزار بی‌نقص برای مقیاس‌بندی کامپیوتر‌های کوانتومی باشیم. اکنون می‌دانیم تا زمانی که هر تراشه با دقت بالا کار می‌کند، ارتباط بین آنها می‌تواند «به اندازه کافی خوب» باشد - نه بی‌نقص - و ما هنوز می‌توانیم یک سیستم مقاوم در برابر خطا بسازیم.»
ساخت سیستم‌های کوانتومی قابل اعتماد
این تحقیق نشان می‌دهد که چرا صرفاً شمارش کیوبیت‌ها کافی نیست.
کیوبیت‌های «منطقی» منفرد (بلوک‌های سازنده‌ی قابل استفاده در برنامه‌های کوانتومی) با ترکیب صد‌ها یا حتی هزاران کیوبیت فیزیکی ایجاد می‌شوند. این افزونگی به سیستم اجازه می‌دهد تا خطا‌هایی را که به طور طبیعی رخ می‌دهند، اصلاح کند.
یکی از موثرترین تکنیک‌ها، کد سطحی است که در آن یک پردازنده کوانتومی با تشخیص و رفع اشتباهات در معماری خود، کیوبیت‌های منطقی را کدگذاری می‌کند. تیم شالبی با استفاده از این روش هزاران طرح ماژولار را شبیه‌سازی کرد و آنها را در سطوح مختلف خطا و نویز آزمایش کرد.
نتایج نشان می‌دهد که سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و قابل اعتماد می‌توانند با استفاده از سخت‌افزار ناقص امروزی ساخته شوند.
شالبی گفت: «تاکنون، بیشتر نقاط عطف کوانتومی بر افزایش تعداد کیوبیت‌ها متمرکز بوده‌اند. اما بدون تحمل خطا، این کیوبیت‌ها مفید نیستند. کار ما نشان می‌دهد که می‌توانیم سیستم‌هایی بسازیم که هم مقیاس‌پذیر و هم قابل اعتماد باشند - همین حالا، نه سال‌ها بعد.
این تحقیق با الهام از کار‌های قبلی در MIT و استفاده از ابزار‌های هوش مصنوعی کوانتومی گوگل انجام شده است. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی و با همکاری همکارانی در آلمان انجام شده است.
این مطالعه در Physical Review A منتشر شده است.