پژوهشگران گوگل با استفاده از پردازنده کوانتومی Willow و روشی جدید برای تولید حالت‌های کوانتومی، به دقت ۹۹\.۹۹ درصدی دست یافتند؛ پیشرفتی مهم در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی قابل‌اعتماد.

پژوهشگران بخش هوش کوانتومی گوگل موفق شده‌اند با استفاده از پردازنده کوانتومی Willow، خطای تولید یکی از منابع کلیدی محاسبات کوانتومی را حدود ۴۰ برابر کاهش دهند. این دستاورد که نتایج آن در مجله علمی Science منتشر شده است، می‌تواند به حل یکی از چالش‌های مهم در توسعه رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا کمک کند.

دستاورد جدید گوگل در رایانش کوانتومی چیست؟

رایانه‌های کوانتومی از ویژگی‌های فیزیک کوانتومی برای انجام محاسبات استفاده می‌کنند که انجام برخی از آن‌ها با رایانه‌های کلاسیک بسیار دشوار است. با این حال، اطلاعات کوانتومی به‌شدت در برابر اختلالات محیطی آسیب‌پذیر هستند و حتی تغییرات کوچک می‌توانند باعث بروز خطا در محاسبات شوند.

برای ساخت رایانه‌های کوانتومی قدرتمند و قابل‌اعتماد، دانشمندان باید روش‌هایی برای شناسایی و کنترل این خطاها توسعه دهند.

پژوهشگران گوگل در مطالعه جدید خود از روشی به نام «پرورش حالت جادویی» (Magic State Cultivation) استفاده کرده‌اند. این روش امکان تولید حالت‌های کوانتومی دقیق‌تر را فراهم می‌کند و می‌تواند نیاز به منابع محاسباتی گسترده برای آماده‌سازی این حالت‌ها را کاهش دهد.

بر اساس نتایج منتشرشده، این روش روی پردازنده Willow توانسته است نرخ خطا را در حالت‌های کوانتومی مورد بررسی حدود ۴۰ برابر کاهش دهد.

حالت جادویی در رایانه‌های کوانتومی چیست؟

حالت‌های جادویی (Magic States) نوعی حالت کوانتومی ویژه هستند که برای اجرای مجموعه‌ای از عملیات ضروری در رایانش کوانتومی عمومی به کار می‌روند. این عملیات برای اجرای الگوریتم‌های پیچیده و بهره‌گیری کامل از توانایی‌های رایانه‌های کوانتومی اهمیت دارند.

یکی از مشکلات اصلی این فناوری، تولید حالت‌های جادویی با کیفیت بالا و خطای بسیار کم است. روش‌های متداول برای بهبود کیفیت این حالت‌ها به منابع محاسباتی قابل‌توجهی نیاز دارند و ممکن است بخش بزرگی از ظرفیت سخت‌افزاری یک رایانه کوانتومی را به خود اختصاص دهند.

روش جدید گوگل تلاش می‌کند این فرایند را کارآمدتر کند. در این رویکرد، حالت‌های کوانتومی آماده‌سازی می‌شوند، اندازه‌گیری‌های لازم برای شناسایی خطاها انجام می‌گیرد و تلاش‌هایی که معیارهای تعیین‌شده را برآورده نمی‌کنند، کنار گذاشته می‌شوند.

به این ترتیب، حالت‌های دقیق‌تر برای استفاده در مراحل بعدی محاسبات کوانتومی باقی می‌مانند.

دقت ۹۹.۹۹ درصدی با پردازنده Willow

یکی از مهم‌ترین نتایج این پژوهش، دستیابی به وفاداری منطقی حدود ۹۹.۹۹ درصد برای حالت‌های کوانتومی تولیدشده است. وفاداری کوانتومی معیاری برای سنجش میزان تطابق حالت آماده‌شده با حالت موردنظر است.

این نتیجه نشان می‌دهد که روش پرورش حالت جادویی می‌تواند خطای یک منبع مهم محاسبات کوانتومی را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد.

پژوهشگران همچنین نشان داده‌اند که می‌توان حالت‌های کوانتومی پالایش‌شده را میان دو ساختار متفاوت تصحیح خطای کوانتومی منتقل کرد. این آزمایش گامی اولیه برای استفاده از حالت‌های تولیدشده در ساختارهای پیچیده‌تر رایانه‌های کوانتومی محسوب می‌شود.

با این حال، دستیابی به این دقت با محدودیت‌هایی همراه بوده است. تنها حدود ۸ درصد از تلاش‌های آماده‌سازی حالت کوانتومی، معیارهای سخت‌گیرانه آزمایش را پشت سر گذاشتند و پذیرفته شدند. بنابراین، افزایش بازدهی این فرایند همچنان یکی از چالش‌های پیش رو است.

چرا کاهش خطای کوانتومی اهمیت دارد؟

توسعه رایانه‌های کوانتومی تنها به افزایش تعداد کیوبیت‌ها وابسته نیست؛ این دستگاه‌ها باید بتوانند اطلاعات کوانتومی را با دقت کافی پردازش کنند و خطاها را در طول محاسبات کنترل کنند.

برآوردهای مطرح‌شده در این حوزه نشان می‌دهند که تولید حالت‌های جادویی ممکن است در برخی معماری‌های آینده، بخش عمده‌ای از منابع سخت‌افزاری رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا را مصرف کند.

بهبود این فرایند می‌تواند نیازهای سخت‌افزاری و مهندسی چنین دستگاه‌هایی را کاهش دهد و مسیر اجرای الگوریتم‌های پیچیده‌تر را هموار کند.

در صورت پیشرفت بیشتر این فناوری، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند در زمینه‌هایی مانند شبیه‌سازی مولکول‌ها، توسعه مواد جدید و بررسی سامانه‌های فیزیکی پیچیده کاربرد داشته باشند؛ حوزه‌هایی که محاسبات کلاسیک در برخی از آن‌ها با محدودیت‌های جدی روبه‌رو هستند.

آیا رایانه‌های کوانتومی بدون خطا ساخته شده‌اند؟

با وجود اهمیت این دستاورد، نتایج پژوهش گوگل به معنای ساخت رایانه کوانتومی کاملاً مقاوم در برابر خطا نیست.

کاهش ۴۰ برابری خطا به حالت‌های کوانتومی مشخصی مربوط می‌شود که در این آزمایش تولید شده‌اند و نباید آن را با کاهش تمام خطاهای پردازنده Willow یا افزایش ۴۰ برابری سرعت محاسبات اشتباه گرفت.

همچنین، نرخ پذیرش پایین در آزمایش نشان می‌دهد که برای استفاده عملی از این روش در مقیاس بزرگ، باید بازدهی تولید حالت‌های کوانتومی افزایش یابد و محدودیت‌های فنی دیگری نیز برطرف شوند.

پژوهشگران اکنون باید نشان دهند که این روش در سامانه‌های بزرگ‌تر نیز قابل اجراست و می‌تواند نیازهای محاسباتی برنامه‌های کاربردی را برآورده کند.

گامی مهم در مسیر رایانه‌های کوانتومی کاربردی

دستاورد جدید گوگل نشان می‌دهد که بهبود کیفیت اطلاعات کوانتومی می‌تواند به‌اندازه افزایش قدرت سخت‌افزاری اهمیت داشته باشد. کاهش خطا در تولید حالت‌های جادویی، یکی از موانع مهم در مسیر توسعه رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا را هدف قرار می‌دهد.

اگر این روش در مقیاس بزرگ‌تر نیز کارآمد باشد، می‌تواند به کاهش هزینه‌های سخت‌افزاری و ساده‌تر شدن اجرای محاسبات کوانتومی پیچیده کمک کند. با این حال، تبدیل این پیشرفت آزمایشگاهی به یک فناوری کاربردی گسترده، همچنان به پژوهش و توسعه بیشتر نیاز دارد.

منبع:

● وبلاگ رسمی گوگل، بخش هوش کوانتومی: گزارش رسمی گوگل درباره پرورش حالت جادویی

● مقاله پژوهشی منتشرشده در مجله Science: مشاهده مقاله علمی