فهرست مطالب
پژوهشگران با استفاده از تراشه کوانتومی IBM و اجرای هزاران عملیات روی ۱۰۰ کیوبیت، روشی برای کنترل خطاها و افزایش پایداری کامپیوترهای کوانتومی آزمایش کردند.
به گزارش سرویس سخت افزار تکناک، گروهی از پژوهشگران دانشگاه راتگرز، IBM و چند مؤسسه علمی دیگر موفق شدند با اجرای نزدیک به ۵۰۰۰ عملیات دوکیوبیتی و هزاران چرخه اندازه‌گیری و بازنشانی، رفتار آشوبناک یک سیستم کوانتومی را کنترل کنند. این آزمایش نشان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی می‌توانند هنگام اجرای محاسبات، کیوبیت‌های خود را به‌طور مکرر اندازه‌گیری و بازنشانی کنند.
نتایج این پژوهش در مجله علمی Nature Physics منتشر شده است. دانشمندان در این تحقیق، تغییر ناگهانی رفتار سیستم از حالت آشوبناک به وضعیت منظم و قابل کنترل را نیز مشاهده کردند. این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا را هموارتر کند.
بیشتر بخوانید: کامپیوتر کوانتومی IBM محاسبه ۱۱۰ ساله را در ۱۹ ثانیه انجام داد
آزمایش تراشه ۱۵۶ کیوبیتی IBM
کامپیوترهای کوانتومی برخلاف کامپیوترهای معمولی، اطلاعات را با استفاده از کیوبیت‌ها پردازش می‌کنند. کیوبیت‌ها می‌توانند به صورت هم‌زمان در ترکیبی از چند حالت قرار بگیرند. این ویژگی که «برهم‌نهی کوانتومی» نام دارد، قابلیت‌های محاسباتی متفاوتی را در اختیار این دستگاه‌ها قرار می‌دهد.
با وجود این مزیت، کیوبیت‌ها در برابر اختلالات محیطی و نقص‌های سخت‌افزاری بسیار حساس هستند. چنین اختلالاتی می‌توانند حالت‌های کوانتومی را تخریب کنند و باعث ایجاد خطا در نتایج محاسبات شوند.
انباشت خطاها یکی از موانع اصلی توسعه کامپیوترهای کوانتومی کاربردی محسوب می‌شود. پژوهشگران برای رفع این مشکل به روش‌هایی نیاز دارند که خطاها را هنگام اجرای محاسبات شناسایی و اصلاح کنند.
این فناوری با عنوان «تصحیح خطای کوانتومی» شناخته می‌شود و نقش مهمی در ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا دارد.
پژوهشگران در آزمایش جدید از تراشه IBM Quantum Heron با ۱۵۶ کیوبیت استفاده کردند، آنها زنجیره‌ای متصل شامل حداکثر ۱۰۰ کیوبیت را انتخاب کردند تا رفتار سیستم را در شرایط مختلف بررسی کنند.
دانشمندان دو فرایند متضاد را به صورت متناوب اجرا کردند. فرایند نخست اطلاعات را میان کیوبیت‌های مجاور درهم می‌آمیخت و بی‌نظمی را گسترش می‌داد. فرایند دوم با اندازه‌گیری و بازنشانی مکرر کیوبیت‌ها، آنها را به سمت حالتی از پیش تعیین‌شده هدایت می‌کرد.
این آزمایش شامل نزدیک به ۵۰۰۰ عملیات دوکیوبیتی و تقریبا ۵۰۰۰ چرخه اندازه‌گیری و بازنشانی بود. پژوهشگران با استفاده از این روش توانستند تأثیر مداخله‌های مکرر بر کنترل رفتار آشوبناک پردازنده را بررسی کنند.
بیشتر بخوانید: سریع‌ترین پردازنده کوانتومی IBM با جهش ۲۵ برابری سرعت معرفی شد
تغییر ناگهانی رفتار کیوبیت‌ها در مرز آشوب و نظم
دانشمندان برای بررسی رفتار سیستم، فراوانی اجرای دو فرایند را تغییر دادند. آنها دریافتند که افزایش عملیات درهم‌آمیختن اطلاعات، سیستم را در وضعیت آشوبناک نگه می‌دارد.
در مقابل، افزایش تعداد اندازه‌گیری‌ها و بازنشانی‌ها باعث می‌شد رفتار سیستم منظم‌تر و قابل‌کنترل‌تر شود. این تغییر نشان داد که مداخله‌های مکرر می‌توانند از گسترش بی‌نظمی در پردازنده کوانتومی جلوگیری کنند.
مهم‌ترین نتیجه زمانی به دست آمد که نسبت اجرای دو فرایند به حدود ۵۰ درصد برای هرکدام رسید. در این شرایط، تغییر کوچکی در فراوانی نسبی عملیات می‌توانست وضعیت کلی سیستم را به‌طور چشمگیری تغییر دهد.
فیزیک‌دانان این پدیده را «گذار فاز» می‌نامند. گذار فاز زمانی رخ می‌دهد که رفتار جمعی یک سیستم تغییر کند. تبدیل آب مایع به یخ نمونه‌ای آشنا از چنین پدیده‌ای است.
جاستین ویلسون، دانشیار فیزیک دانشگاه ایالتی لوئیزیانا و یکی از نویسندگان پژوهش توضیح داد که مداخله‌های تصادفی می‌توانند رفتارهای غیرقابل‌پیش‌بینی را مهار کنند.
همچنین پژوهشگران دریافتند که این گذار در شرایط کوانتومی نیز پایدار باقی می‌ماند. پیش از اجرای آزمایش، دوام چنین پدیده‌ای در یک سیستم کوانتومی هنوز مشخص نبود.
نتایج به‌دست‌آمده با پیش‌بینی‌های نظری مطابقت داشت. دانشمندان مشاهده کردند که با افزایش اندازه سیستم، مرز میان وضعیت آشوبناک و حالت کنترل‌شده آشکارتر می‌شود.
این یافته نشان می‌دهد که رفتار مشاهده‌شده تنها به مدارهای آزمایشی کوچک محدود نیست و می‌تواند در سیستم‌های کوانتومی بزرگ‌تر نیز اهمیت داشته باشد.
بیشتر بخوانید: پردازنده جدید IBM نرم‌افزار Z و Arm را روی یک هسته اجرا می‌کند
کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا
یکی از اهداف اصلی پژوهشگران برای اجرای ۵۰۰۰ عملیات روی تراشه ۱۰۰ کیوبیتی IBM، ساخت کامپیوترهای کوانتومی است که بتوانند محاسبات طولانی را بدون انباشت خطاهای مخرب انجام دهند. دستیابی به این هدف به شناسایی و اصلاح مداوم خطاها نیاز دارد.
در چنین سیستم‌هایی، اجرای یک مرحله اصلاح خطا کافی نیست. پردازنده باید عملیات اندازه‌گیری و اصلاح را بارها تکرار کند و هم‌زمان اطلاعات کوانتومی مورد استفاده را حفظ نماید.
بازخورد بلادرنگ می‌تواند نقش مهمی در تحقق این هدف داشته باشد. این قابلیت به پردازنده امکان می‌دهد وضعیت کیوبیت‌ها را هنگام اجرای محاسبات مدیریت کند.
مایکا تاکیتا، پژوهشگر IBM اعلام کرد که گروه تحقیقاتی توانسته است عملیات کوانتومی، اندازه‌گیری‌ها و بازنشانی‌ها را هزاران بار در یک سیستم بزرگ هماهنگ کند.
او این دستاورد را گامی مهم در مسیر توسعه روش‌های کاربردی تصحیح خطای کوانتومی توصیف کرد.
همچنین پژوهشگران سیستم‌هایی را آزمایش کردند که اندازه آنها از توان شبیه‌سازی کامپیوترهای معمولی فراتر می‌رفت. مقایسه نتایج آزمایش با پیش‌بینی‌های نظری، اطمینان آنها به توضیحات علمی ارائه‌شده را افزایش داد.
دانشمندانی از کالج شهری نیویورک، دانشگاه ایالتی آیووا، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا و چند مؤسسه پژوهشی دیگر نیز در این پروژه مشارکت داشتند.
با وجود اهمیت نتایج، این آزمایش هنوز به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کاملا مقاوم در برابر خطا منجر نشده است. پژوهشگران تنها یکی از قابلیت‌های ضروری برای دستیابی به چنین دستگاه‌هایی را نشان داده‌اند.
این دستاورد ثابت می‌کند که سخت‌افزارهای کوانتومی کنونی می‌توانند هنگام اجرای عملیات، مداخله‌های کنترلی مکرر را مدیریت کنند. توسعه این قابلیت می‌تواند زمینه ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر و قابل‌اعتمادتر را فراهم کند.
