الاختراق في تصحيح الخطأ الكمومي يمكن أن يؤدي إلى أجهزة كمبيوتر كمومية واسعة النطاق

حقق الباحثون في Google Quantum AI تقدمًا مهمًا في تطوير تصحيح الخطأ الكمي ، وهي تقنية تعتبر ضرورية لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية واسعة النطاق يمكنها حل المشكلات العملية. أظهر الفريق أنه يمكن تقليل معدلات الخطأ الحسابي عن طريق زيادة عدد البتات الكمومية (الكيوبتات) المستخدمة لأداء تصحيح الخطأ الكمومي. هذه النتيجة هي خطوة مهمة نحو إنشاء حواسيب كمومية تتسامح مع الأخطاء.

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بإحداث ثورة في كيفية حل بعض المشكلات المعقدة. لكن هذا لا يمكن أن يحدث إلا إذا أمكن دمج العديد من الكيوبتات في جهاز واحد. يعد هذا تحديًا هائلاً لأن الكيوبتات حساسة للغاية ويمكن بسهولة تدمير المعلومات الكمومية التي تحتفظ بها - مما يؤدي إلى أخطاء في الحسابات الكمومية.

تعاني أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أيضًا من الفشل العرضي لبتات البيانات الخاصة بها وتستخدم تقنيات تصحيح الأخطاء للحفاظ على استمرار العمليات الحسابية. يتم ذلك عن طريق نسخ البيانات التي تحتفظ بها سلسلة من البتات ، لذلك من السهل تحديدها عند فشل إحدى وحدات البت في هذا التسلسل. ومع ذلك ، لا يمكن نسخ المعلومات الكمومية وبالتالي لا يمكن تصحيح أجهزة الكمبيوتر الكمومية بنفس الطريقة.

بتات منطقية

بدلاً من ذلك ، يجب استخدام مخطط تصحيح الخطأ الكمي. يتضمن هذا عادةً ترميز القليل من المعلومات الكمومية في مجموعة من الكيوبتات التي تعمل معًا كـ "كيوبت منطقي" واحد. إحدى هذه التقنيات هي الشفرة السطحية ، حيث يتم تشفير جزء من المعلومات الكمومية في مصفوفة من الكيوبتات.

في حين أن هذا يمكن أن يكون فعالًا ، فإن إضافة كيوبتات إضافية إلى النظام تضيف مصادر إضافية للخطأ ولم يكن واضحًا ما إذا كانت زيادة عدد الكيوبتات في نظام تصحيح الخطأ سيؤدي إلى تقليل إجمالي في الأخطاء - وهو تأثير مرغوب فيه للغاية يسمى التحجيم.

بالنسبة للحوسبة الكمومية العملية واسعة النطاق ، يعتقد الفيزيائيون أن هناك حاجة إلى معدل خطأ يبلغ حوالي واحد في المليون. ومع ذلك ، يمكن لتقنية تصحيح الخطأ الحالية أن تحقق معدلات خطأ تبلغ حوالي واحد في الألف ، لذا يلزم إجراء تحسينات كبيرة - وهو تحدٍ كبير.

قليلا الوجه والوجه المرحلة

الآن ، اتخذ الباحثون في Google Quantum AI خطوة مهمة إلى الأمام من خلال إنشاء مخطط رمز السطح الذي يجب أن يتناسب مع معدل الخطأ المطلوب. يتكون المعالج الكمي الخاص بهم من كيوبتات فائقة التوصيل تشكل إما كيوبتات بيانات للتشغيل أو كيوبتات قياس مجاورة لكيوبتات البيانات ويمكنها إما قياس انعكاس بت أو طور - نوعان من الخطأ يؤثران على كيوبتات.

ثم أجرى الفريق سلسلة من التحسينات على هذا التصميم الأساسي لتعزيز قدرته على التعامل مع الأخطاء. استخدم الباحثون طرق تصنيع متطورة لتقليل معدلات الخطأ في الكيوبتات الفردية ، بما في ذلك زيادة مدة تفريغها. كما قاموا أيضًا بتحسين البروتوكولات التشغيلية ، مثل إجراء قياسات سريعة ومتكررة وإعادة ضبط التسرب - حيث يشير التسرب إلى الانتقال غير المرغوب فيه للكيوبت إلى حالة كمومية لا تُستخدم في الحسابات.

إعادة ضبط حالات التسرب

يتطلب تصحيح الخطأ استرداد نتائج القياس الوسيطة بشكل متكرر في كل دورة تصحيح خطأ. يجب أن تحتوي هذه القياسات على أخطاء منخفضة بحد ذاتها حتى يتمكن النظام من اكتشاف مكان حدوث أخطاء في البيانات كيوبت. يجب أن تكون القياسات سريعة أيضًا لتقليل خطأ فك الترابط عبر صفيف الكيوبت. فك الترابط هو عملية تتدهور فيها الطبيعة الكمية للكيوبتات بمرور الوقت. بالإضافة إلى ذلك ، يجب إعادة ضبط حالات التسرب.

نفذ الفريق عملية تسمى الفصل الديناميكي ، والتي تسمح بقياس الكيوبت وكذلك العزل المطلوب لتجنب الحديث المتبادل المدمر بين الكيوبتات. هنا يتم نبضات كيوبتات للحفاظ على التشابك ولتقليل تفاعل كيوبت مع جيرانه الذين تم قياسهم. يضع البروتوكول المتقدم أيضًا رقمًا في الحد الأقصى المسموح به من تفاعلات الحديث المتبادل بين الكيوبتات. يقدم Crosstalk أخطاء مترابطة يمكن أن تربك الشفرة.

عند إجراء التجربة ، يجب تفسير النتائج لتحديد مكان حدوث الأخطاء ، دون معرفة كاملة بالنظام. تم ذلك باستخدام أجهزة فك التشفير التي يمكنها الوصول إلى مزيد من التفاصيل حول أجهزتها المحددة لعمل تنبؤات أفضل بمكان حدوث الأخطاء.

المزيد يعني القليل

قام الباحثون بتقييم قابلية التوسع في تصميمهم من خلال مقارنة كيوبت منطقي من "مجموعة مسافة 3" التي تضم ما مجموعه 17 كيوبت فيزيائية مع "مجموعة مسافة 5" التي تتألف من 49 كيوبت. أظهروا أن صفيفهم مسافة 5 كيوبت كان به معدل خطأ قدره 2.914٪ وتفوق على مصفوفة مسافة 3 كيوبت ، التي كان معدل الخطأ فيها 3.028٪. يعد تحقيق هذا التخفيض عن طريق زيادة حجم مصفوفة كيوبت إنجازًا مهمًا ويظهر أن زيادة عدد البتات هو مسار قابل للتطبيق للحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء. تشير قابلية التوسع هذه إلى أنه يمكن تحقيق معدل خطأ أفضل من واحد في المليون باستخدام مصفوفة مسافة 17 كيوبت تشتمل على 577 كيوبت بجودة عالية مناسبة. نظر الفريق أيضًا في رمز تصحيح الخطأ أحادي الأبعاد ، والذي يركز فقط على نوع واحد فقط من الأخطاء - بت أو انعكاس الطور. وجدوا أن مخطط 1 بت يمكن أن يحقق معدلات خطأ تبلغ حوالي واحد في المليون.

هل يمكننا استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لصنع الموسيقى؟

جوليان كيلي، مدير الأجهزة الكمومية في Google Quantum AI ، يصف هذه النتيجة بأنها "حاسمة للغاية" للتوسع نحو كمبيوتر كمي واسع النطاق ، مضيفًا أن هذه التجربة هي تحدٍ ضروري يجب أن تمر به كل منصة ومؤسسة للأجهزة لتوسيع نطاق أنظمتها .

ويقول إن الخطوات التالية للفريق هي بناء كيوبت منطقي أكبر وقوي للغاية يكون أقل بكثير من عتبة تصحيح الخطأ. "الهدف هو إظهار معدلات الخطأ المنطقي ذات الصلة من الناحية الحسابية على نطاق يتجاوز بكثير الأنظمة الموجودة اليوم. من خلال هذا ، سنثبت أن تصحيح الخطأ ليس ممكنًا فحسب ، بل إنه عملي ويضيء مسارًا واضحًا نحو بناء أجهزة كمبيوتر كمومية كبيرة الحجم "، كما يقول عالم الفيزياء.

هيديو كوساكايقول مهندس الكم في جامعة يوكوهاما الوطنية اليابانية والذي لم يشارك في هذا البحث ، إن الكود السطحي يعتبر أفضل طريقة عملية لقياس عدد الكيوبتات في المعالج الكمي لأنه يسمح ببنية بسيطة ثنائية الأبعاد. على الرغم من أنه يذكر أنه يقتصر على فئة من الأخطاء تسمى أخطاء باولي ، إلا أنه سيكون كافياً من الناحية العملية مع التحسينات المستقبلية المحتملة للجهاز بما في ذلك الحماية من تأثيرات الأشعة الكونية. على الرغم من أن كوساكا يعتقد أن هذه مجرد نقطة بداية ، حيث يجب على الباحثين تحسين أدائهم أكثر بكثير لتقليل عدد الكيوبتات الفيزيائية ودورات تصحيح الأخطاء ، إلا أنه صرح بأنه "لم يعتقد أحد أن هذا سيتحقق في غضون 2 عامًا عندما بدأنا البحث في علم المعلومات الكمومية ".

تم وصف البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/breakthrough-in-quantum-error-correction-could-lead-to-large-scale-quantum-computers/