محققان گوگل موفق شدند خطای کوانتومی را کاهش دهند
محققان گوگل با افزودن کیوبیت‌های منطقی به کامپیوتر کوانتومی سیکامور، توانسته‌اند خطاها و نویزهای کوانتومی را کاهش دهند. این موفقیت گامی مهم در فرایند تصحیح خطا محسوب می‌شود.
تاکنون، بیشتر افراد شنیده‌اند محاسبات کوانتومی فناوری‌ای انقلابی است که از ویژگی‌های عجیب‌وغریب مکانیک کوانتوم برای حل برخی مشکلات فراتر از توانایی اَبَرکامپیوترهای کنونی استفاده می‌کند. این مشکلات از دنیای ریاضیات گرفته تا تجارت، فیزیک، امور مالی و… را شامل می‌شود و ایده‌ای انقلابی را نوید می‌دهد که می‌تواند پردازش‌های آینده را در کسری از ثانیه انجام دهد. درحقیقت، می‌توان گفت اختراع کامپیوتر کوانتومی جهشی عظیم در توانایی پردازش الگوریتم‌های بسیار سخت و پیچیده محسوب می‌شود. بااین‌حال، کامپیوترهای کوانتومی کنونی با انبوهی از مشکلات و محدودیت‌ها دست‌وپنجه نرم می‌کنند که به این زودی‌ها نمی‌گذارد این غول‌های پردازشی از ظرفیت فراوانش به‌درستی استفاده کنند.
اکنون، گزارش جدیدی ادعا می‌کند که تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل در جدیدترین تحقیقاتش به دستاورد جدیدی دست یافته‌اند که می‌تواند راه را برای تصحیح خطاهای کوانتومی هموارتر از گذشته کند. محققان گوگل می‌گویند افزودن کیوبیت منطقی به کامپیوتر کوانتومی به کاهش تصاعدی نرخ خطای کیوبیت منطقی منجر می‌شود. تیم یادشده کار خود با کیوبیت‌های منطقی را به‌عنوان روش تصحیح خطا توصیف می‌کند؛ ازاین‌رو، بهتر است در ابتدا با فرایند تصحیح خطا بیشتر آشنا شوید.
در محاسبات کوانتومی، روندی موسوم به «تصحیح خطا» پیشرفتی بسیار مهم محسوب می‌شود؛ زیرا کوچک‌ترین اختلال و خطا در روند محاسبات می‌تواند کل محاسبات را از بین ببرد. به زبان ساده، تصحیح خطا این امکان را برای کامپیوتر کوانتومی فراهم می‌کند که محاسبات پایدارتری انجام دهند. این پیشرفت ازطریق غلبه بر محدودیت اساسی کیوبیت (عنصر اساسی ذخیره و پردازش داده در رایانش کوانتومی) حاصل می‌شود. درواقع، این فرایند برای محافظت از اطلاعات کوانتومی دربرابر خطاهای ناشی از منسجم‌نبودن و سایر نویزهای کوانتومی استفاده می‌شود.
تصحیح خطای کوانتومی برای دستیابی به محاسبات کوانتومیِ مقاوم دربرابر خطا ضروری است و نه‌تنها با نویز موجود در اطلاعات کوانتومی ذخیره‌شده، بلکه با دروازه‌های کوانتومی و آماده‌سازی و اندازه‌گیری‌های معیوب می‌تواند مقابله کند. به‌عبارت‌دیگر، بهدلیل اینکه ایزوله‌کردن حقیقی سیستم‌های کوانتومی بسیار دشوار است، سیستم‌های تصحیح خطای محاسبات کوانتومی ایجاد شده‌اند. کیوبیت‌ها بیت دیجیتال داده نیستند؛ بنابراین، نمی‌توان از روش‌های متداول تصحیح خطا، ازجمله روش افزونگی سه‌گانه استفاده کرد. پس، یکی از موانعی که در راه ایجاد کامپیوترهای کوانتومی کاربردی وجود دارد، کشف این مسئله است که چگونه می‌توان از وقوع خطا جلوگیری یا آن‌ها را قبل از استفاده به‌عنوان بخشی از محاسبات برطرف کرد.
در کامپیوترهای سنتی، این مشکلات در اغلب مواقع با افزودن بیت توازن حل می‌شود. بیت توازن یا بیت همزادی بیتی منفرد است که می‌تواند به رشته‌ای باینری اضافه شود. درواقع، برای نشان‌دادن زوج یا فرد بودن تعداد بیت‌هایی که ۱ هستند، به بیت‌ها اضافه می‌شود و هدف از آن برابری ارائه روشی ساده برای بررسی خطاهای بعدی است.
روش مذکور بهدلیل ماهیت متفاوت کیوبیت‌ها در کامپیوترهای کوانتومی کارساز نیست و تلاش برای اندازه‌گیری آن‌ها داده‌ها را از بین می‌برد. تحقیقات قبلی حاکی از آن بودند که یکی از راه‌حل‌های ممکن برای این مشکل، می‌تواند گروه‌بندی کیوبیت‌ها به خوشه‌هایی به نام کیوبیت‌های منطقی باشد.
کیوبیت منطقی کیوبیتی فیزیکی یا انتزاعی است که با‌‌‌توجه‌‌‌‌‌به الگوریتم‌های کوانتوم یا مدار کوانتومی مشخص‌شده عمل می‌کند و بسته به تبدیل واحد از زمان انسجام کافی برخوردار است تا گیت‌های منطقی کوانتوم از آن بتوانند استفاده کنند. گفتنی است هر کیوبیت منطقی می‌تواند به هزار کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد. برای مثال، محاسبات کوانتومی مهم ازجمله الگوریتم‌های Shor که برای شکستن رمزگذاری کنونی استفاده می‌شود، به هزاران کیوبیت منطقی نیاز دارد. حال در تلاشی جدید، تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل این ایده را روی کامپیوتر کوانتومی سیکامور (Sycamore) آزمایش کرده‌اند.
سیکامور با ۵۴ کیوبیت فیزیکی کار می‌کند و ظاهرا محققان کیوبیت منطقی با مقیاس مختلف از ۵ تا ۲۱ کیوبیت ایجاد کرده‌اند تا ببینند هرکدام چگونه کار می‌کنند. با این کار، آنان دریافتند افزودن کیوبیت‌ها به‌طور تصاعدی میزان خطا را کاهش می‌دهد و سپس توانستند کیوبیت‌های اضافی را به روشی اندازه بگیرند که شامل فروپاشی حالت آن‌ها نباشد؛ درحالی‌که اطلاعات کافی برای استفاده از آن‌ها برای محاسبات را فراهم می‌کرد.
یافته‌های محققان گوگل نشان می‌دهد می‌توان از کیوبیت‌های منطقی به‌عنوان ابزاری مناسب برای تصحیح خطا استفاده کرد؛ اما گفته می‌شود کیوبیت‌هایی که اضافه می‌شوند، خود مستعد خطا هستند و با افزوده‌شدن آن‌ها مشکلات نیز گسترش می‌یابد. دراین‌میان، به نقطه‌ای که استفاده از چنین رویکردی عملی نیست، «آستانه» می‌گویند. از قرار معلوم، تیم گوگل هنوز به آستانه نرسیده است؛ اما این تیم انتظار دارد در کامپیوترهای کوانتومی دارای کیوبیت بیشتر آستانه زودتر ایجاد شود. آن‌ها خاطر‌نشان می‌کنند برای رویکرد کار در کامپیوتر کوانتومی واقعی کاربردی همچنان به وسیله‌ای برای کاهش نویز نیاز است که به خطا منجر شود.
