اجرای الگوریتم‌های پیچیده روی رایانه‌های کوانتومی به چیزی فراتر از کیوبیت‌های فیزیکی معمولی نیاز دارد. این کیوبیت‌ها در برابر نویز و خطا بسیار آسیب‌پذیرند؛ بنابراین پژوهشگران چندین کیوبیت سخت‌افزاری را به یکدیگر متصل می‌کنند تا یک «کیوبیت منطقی» بسازند. چنین ساختاری می‌تواند خطاها را شناسایی و در صورت امکان اصلاح کند.
شرکت Quantinuum اعلام کرده است که نسل فعلی سخت‌افزار کوانتومی آن نه‌تنها از نقطه سربه‌سر در تصحیح خطای کوانتومی عبور کرده، بلکه با افزایش اندازه کیوبیت‌های منطقی، در برخی معیارهای عملکرد بهبود بیش از ۱۰ برابری را در هر مرحله نشان داده است. این نتیجه می‌تواند گامی مهم به‌سوی اجرای محاسبات کوانتومی بزرگ و قابل اعتماد باشد.
چرا رایانه‌های کوانتومی به تصحیح خطا نیاز دارند؟
کیوبیت‌های فیزیکی برخلاف بیت‌های رایانه‌های کلاسیک، به‌شدت تحت تأثیر محیط قرار می‌گیرند. نویز، اختلال در کنترل سخت‌افزار و فرایند اندازه‌گیری می‌تواند حالت کوانتومی آن‌ها را تغییر دهد و نتیجه محاسبات را نامعتبر کند.
برای مقابله با این مشکل، از مجموعه‌ای از کیوبیت‌های فیزیکی برای ایجاد یک کیوبیت منطقی استفاده می‌شود. تعدادی از این کیوبیت‌ها داده‌های اصلی را نگه می‌دارند و گروهی دیگر برای اندازه‌گیری نشانه‌های خطا به کار می‌روند. درهم‌تنیدگی میان آن‌ها نیز امکان تشخیص خطا را بدون اندازه‌گیری مستقیم و از بین بردن اطلاعات کوانتومی فراهم می‌کند.
نقطه سربه‌سر در تصحیح خطای کوانتومی چیست؟
در نگاه اول ممکن است تصور شود که افزودن کیوبیت‌های بیشتر همیشه قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد؛ اما هر کیوبیت فیزیکی جدید خود می‌تواند منبع خطا باشد. اگر نرخ خطای سخت‌افزار بالا باشد، بزرگ‌تر کردن کیوبیت منطقی نه‌تنها کمکی نمی‌کند، بلکه احتمال بروز خطا را افزایش می‌دهد.
نقطه سربه‌سر زمانی به دست می‌آید که مزیت افزودن کیوبیت‌های بیشتر از خطاهای جدیدی که همان کیوبیت‌ها ایجاد می‌کنند، بیشتر باشد. پس از عبور از این مرز، افزایش اندازه کد تصحیح خطا باید نرخ خطای منطقی را کاهش دهد.
- پیش از نقطه سربه‌سر، کیوبیت منطقی ممکن است از اجزای فیزیکی خود عملکرد ضعیف‌تری داشته باشد.
- در نقطه سربه‌سر، مزایای تصحیح خطا با هزینه ناشی از افزودن کیوبیت‌ها برابر می‌شود.
- پس از این نقطه، بزرگ‌تر کردن کیوبیت منطقی می‌تواند محاسبات را قابل اعتمادتر کند.
مشکل دستاوردهای قبلی چه بود؟
چند شرکت و گروه پژوهشی پیش‌تر نشان داده بودند که سخت‌افزار آن‌ها می‌تواند از نقطه سربه‌سر عبور کند. بااین‌حال، میزان کاهش خطا در بسیاری از این آزمایش‌ها محدود بود. در چنین شرایطی، برای رسیدن به نرخ خطای مورد نیاز الگوریتم‌های پیچیده باید تعداد بسیار زیادی کیوبیت فیزیکی به هر کیوبیت منطقی اختصاص داده می‌شد؛ تعدادی که از نظر مهندسی و اقتصادی عملی نبود.
بنابراین صرف عبور از نقطه سربه‌سر کافی نیست. یک سامانه مفید باید با هر مرحله افزایش اندازه کد، کاهش چشمگیری در نرخ خطای منطقی ایجاد کند. این ویژگی تعیین می‌کند که آیا می‌توان رایانه کوانتومی را بدون نیاز به میلیون‌ها یا حتی تعداد بیشتری کیوبیت اضافی توسعه داد یا خیر.
دستاورد تازه Quantinuum چه اهمیتی دارد؟
براساس اعلام Quantinuum، نسل کنونی سخت‌افزار این شرکت امکان مقیاس‌پذیری کیوبیت‌های منطقی را بسیار فراتر از نقطه سربه‌سر فراهم کرده است. در آزمایش‌های انجام‌شده، هر مرحله افزایش اندازه کیوبیت منطقی، برخی شاخص‌های عملکرد را بیش از ۱۰ برابر بهبود داده است.
این تفاوت بزرگی با آزمایش‌هایی دارد که در آن‌ها افزودن تعداد زیادی کیوبیت تنها کاهش محدودی در خطا ایجاد می‌کند. اگر چنین روندی در ابعاد بزرگ‌تر نیز حفظ شود، دستیابی به نرخ خطای بسیار پایین با سربار سخت‌افزاری معقول‌تر امکان‌پذیر خواهد شد.
کدهای تصحیح خطا چگونه مقیاس‌پذیر می‌شوند؟
هر کد تصحیح خطای کوانتومی ظرفیت مشخصی برای شناسایی و اصلاح خطا دارد. با افزایش «فاصله کد» یا بزرگ‌تر شدن ساختار کیوبیت منطقی، سامانه می‌تواند تعداد بیشتری از خطاهای هم‌زمان را تحمل کند. البته این افزایش تنها زمانی سودمند است که عملیات، اتصال‌ها و اندازه‌گیری‌های سخت‌افزاری از دقت کافی برخوردار باشند.
عملکرد یک سامانه تصحیح خطا به عوامل متعددی وابسته است:
- نرخ خطای کیوبیت‌های فیزیکی و عملیات کوانتومی
- دقت و سرعت اندازه‌گیری کیوبیت‌های کمکی
- کیفیت اتصال و درهم‌تنیدگی میان کیوبیت‌ها
- نوع کد تصحیح خطا و نحوه رمزگشایی داده‌های اندازه‌گیری
- میزان سربار سخت‌افزاری برای ساخت هر کیوبیت منطقی
اگر خطاهای فیزیکی پایین‌تر از آستانه کد باقی بمانند، بزرگ‌تر کردن کد می‌تواند احتمال خطای منطقی را به‌صورت چشمگیری کاهش دهد. نتایج Quantinuum نشان می‌دهد سخت‌افزار این شرکت در محدوده‌ای فعالیت می‌کند که این مقیاس‌پذیری می‌تواند بسیار مؤثر باشد.
آیا رایانه‌های کوانتومی بدون خطا در دسترس قرار گرفته‌اند؟
این دستاورد به معنای آماده شدن فوری رایانه‌های کوانتومی کاملاً مقاوم در برابر خطا نیست. اجرای الگوریتم‌های کاربردی و طولانی همچنان به تعداد زیادی کیوبیت منطقی، کنترل دقیق، اندازه‌گیری سریع و اجرای مداوم چرخه‌های تصحیح خطا نیاز دارد. همچنین باید ثابت شود که عملکرد مطلوب در مقیاس‌های بزرگ‌تر و هنگام اجرای عملیات منطقی پیچیده حفظ می‌شود.
بااین‌حال، کاهش بیش از ۱۰ برابری خطا در هر مرحله رشد کیوبیت منطقی نشانه‌ای امیدوارکننده است. این نتیجه نشان می‌دهد مسیر توسعه رایانش کوانتومی مقاوم در برابر خطا ممکن است به منابع سخت‌افزاری کمتری از برخی برآوردهای بدبینانه نیاز داشته باشد.
گام بعدی برای محاسبات کوانتومی چیست؟
مرحله بعدی، تبدیل کیوبیت‌های منطقی پایدار به پردازنده‌ای است که بتواند مجموعه بزرگی از عملیات را با دقت بالا اجرا کند. پژوهشگران باید علاوه بر نگهداری اطلاعات، دروازه‌های منطقی، انتقال داده، اندازه‌گیری و ارتباط میان چند کیوبیت منطقی را نیز بدون افزایش کنترل‌نشده خطا انجام دهند.
- افزایش تعداد کیوبیت‌های منطقی قابل استفاده
- کاهش هزینه سخت‌افزاری هر کیوبیت منطقی
- حفظ برتری تصحیح خطا در مدارهای طولانی‌تر
- اجرای عملیات منطقی بدون از بین رفتن مزیت کد
- آزمایش الگوریتم‌های واقعی در مقیاس کاربردی
جمع‌بندی
تصحیح خطای کوانتومی یکی از مهم‌ترین موانع در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی کاربردی است. دستاورد Quantinuum نشان می‌دهد که افزودن منابع سخت‌افزاری می‌تواند به‌جای ایجاد بهبودی محدود، کاهش قابل توجهی در خطای منطقی به همراه داشته باشد. اگر این روند در مقیاس‌های بزرگ‌تر ادامه پیدا کند، اجرای الگوریتم‌های پیچیده و قابل اعتماد روی رایانه‌های کوانتومی به واقعیت نزدیک‌تر خواهد شد.
نظر، سوال یا تجربه خود را درباره این مطلب با سایر کاربران اوکالا به اشتراک بگذارید.