آیا یک سیستم جدید "خطای پاک کردن" می تواند کلید تصحیح خطای کوانتومی باشد؟

یکی از بزرگترین چالش ها در توسعه یک کامپیوتر کوانتومی خطا است تصحیحn خطاها در محاسبات کوانتومی بسیار رایج هستند که عمدتاً به دلیل نویز محیطی و شکنندگی کلی سیستم است. این خطاها می توانند باعث اندازه گیری های نادرست شوند و نتایج برنامه ریزی کوانتومی را منحرف کنند. بسیاری از شرکت ها مانند آی بی ام و گوگل، در حال کار بر روی راه هایی برای تصحیح این خطاها یا کالیبراسیون مجدد کامپیوترهای کوانتومی برای ضد خطا بودن هستند. در مقاله ای جدید از طبیعت ارتباطات، تیمی از دانشگاه پرینستون با مشاهده سیستمی به نام "خطای پاک کردن" روشی جایگزین برای تصحیح خطا ارائه می دهد.

تصحیح خطای کوانتومی (QEC) چیست؟

زیرا کیوبیت ها، واحدهای هسته یک کامپیوتر کوانتومی، کاملاً هستند شکننده، مستعد خطا هستند. توضیح داد: «مشکل اصلی در حال حاضر در محاسبات کوانتومی دریافت کیوبیت‌های با وفاداری بالا برای اجرای تصحیح خطای کوانتومی است. جفری تامپسون، دانشیار دانشگاه پرینستون و محقق اصلی این مطالعه در مصاحبه ای با درون فناوری کوانتومی. برای اکثر انواع تصحیح خطای کوانتومی (QEC) یک الگوریتم برای شناسایی و اصلاح خطاها در کامپیوتر کوانتومی استفاده می شود. در حالی که این الگوریتم ها مبتنی بر رویکردهای ریاضی هستند، اما از کامل بودن فاصله زیادی دارند. همانطور که تامپسون توضیح داد: «در استاندارد تصحیح خطای کوانتومی، شما باید مکان و انواع خطاهایی را که روی کیوبیت‌های شما رخ داده است، از روی مجموعه محدودی از مشاهدات، که به عنوان اندازه‌گیری سندرم شناخته می‌شوند، تعیین کنید. در حالی که این اندازه‌گیری‌های سندرم در تعیین دقیق خطاها مفید هستند، اما همیشه به تصحیح خطای موفقیت‌آمیز منجر نمی‌شوند. تامپسون افزود: «تصحیح خطا زمانی با شکست مواجه می‌شود که شما اطلاعات کافی برای انجام این تصمیم‌ها را به طور واضح نداشته باشید، که زمانی اتفاق می‌افتد که خطاهای زیادی وجود داشته باشد».

پیدا کردن خطای پاک کردن

تامپسون و تیمش به جای رفع این مشکل با کاهش تعداد کل خطاها، تلاش کردند تا خطاها را آسان‌تر شناسایی کنند. آنها این را تقریباً به طور تصادفی در حین مطالعه ساختار کیوبیت ایتربیوم دریافتند. به نظر می‌رسید که دو الکترون در لایه بیرونی ایتربیوم در کمک به تصحیح خطا کلیدی باشند. محققان با بررسی علل فیزیکی خطا، توانستند سیستمی ایجاد کنند که منبع خطا داده های نادرست را پاک یا حذف کند. سیستم پاک کردن با پیوند دادن خطاهای کوانتومی به تغییر انرژی در الکترون های بیرونی کار می کرد. تامپسون این سیستم خاص را "خطای پاک کردن" می نامد و می تواند به نشان دادن نادرست بودن داده ها کمک کند. تامپسون گفت: "خطای "پاک کردن" نوع خاصی از همیشه است که مکان خود را نشان می دهد، بنابراین می توانید از اطلاعات بیشتری از سندرم برای کشف نوع خطا استفاده کنید. "این به شما امکان می دهد تا خطاهای بیشتری را مدیریت کنید و در نتیجه عملکرد تصحیح خطا را افزایش دهید." خطاهای پاک کردن در محاسبات کلاسیک نسبتاً رایج هستند اما اکنون فقط در محاسبات کوانتومی در نظر گرفته می شوند.

با استفاده از خطاهای پاک کردن، محققان دریافتند که روش جدید آنها می تواند در برابر یک ٪۱۰۰ نرخ خطا، که برای کامپیوترهای کوانتومی فعلی امکان پذیر است. سیستم‌های قبلی تنها می‌توانستند نرخ خطای ۱% را تحمل کنند، قبل از اینکه با درصد خطای بالاتری مواجه شوند. تامپسون معتقد است که این درصد بالاتر می تواند یک کامپیوتر کوانتومی بزرگتر با کیوبیت های بیشتر را به واقعیت محتمل تبدیل کند. تامپسون افزود: "اگر کیوبیت هایی دارید که نسبت به خطاهای پاک کردن سوگیری دارند، به تعداد آنها نیاز ندارید و می توانند عملکرد بدتری داشته باشند." برای محدوده خاصی از پارامترها، کیوبیت‌های بایاس پاک کردن ممکن است به 1 x یا حتی 10 برابر کیوبیت کمتر نیاز داشته باشند تا به سطح مشخصی از عملکرد QEC در مقایسه با کیوبیت‌های معمولی دست یابند. برای بسیاری از شرکت هایی که به دنبال افزایش مقیاس کامپیوترهای کوانتومی خود هستند، یک سیستم خطای پاک کردن ممکن است کلید دستیابی به این اهداف باشد. تامپسون گفت: «ممکن است برای دستیابی به این هدف، کیوبیت‌های موجود را دوباره طراحی کنیم. "علاقه زیادی به این ایده وجود دارد."

کنا هیوز-کستلبری نویسنده کارکنان Inside Quantum Technology و ارتباط دهنده علوم در JILA (شرکتی بین دانشگاه کلرادو بولدر و NIST) است. ضربات نویسندگی او شامل فناوری عمیق، متاورس و فناوری کوانتومی است. می توانید کارهای بیشتری از او را در وب سایت او بیابید: https://kennacastleberry.com/