اولین پردازنده کوانتومی منطقی جهان رونمایی شد

دانشگاه هاروارد در زمینه رایانش کوانتومی دستاوردهای بزرگی داشته است، که شامل ساخت یک پردازنده کوانتومی پیشرفته با 48 کیوبیت منطقی است.

به گزارش تکناک، این پیشرفت، که تحت نظارت میخائیل لوکین صورت گرفته، امکان اجرای الگوریتم‌های پیچیده در یک سیستم کوانتومی با اصلاح خطا را فراهم می‌کند و گام مهمی به سوی رایانه‌های کوانتومی عملی و مقاوم است.

در رایانش کوانتومی، کیوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی، به عنوان واحدهای اطلاعاتی عمل می‌کنند و مشابه بیت‌های باینری در رایانش معمولی هستند. برای بیش از دو دهه، فیزیکدانان و مهندسان رایانش کوانتومی را با استفاده از ذرات کوانتومی مانند اتم‌ها، یون‌ها، و فوتون‌ها برای ساخت کیوبیت‌های فیزیکی ممکن ساخته‌اند.

با این حال، استفاده موثر از قابلیت‌های مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات پیچیده فراتر از جمع‌آوری تعداد زیادی کیوبیت‌های فیزیکی است. این کیوبیت‌ها به طور طبیعی ناپایدار هستند و مستعد از دست دادن حالت‌های کوانتومی خود می‌باشند، بنابراین نیاز به سیستم‌های پیچیده‌تری برای حفظ و اصلاح خطاهای احتمالی وجود دارد.

کیوبیت های منطقی: بلوک های ساختمان محاسبات کوانتومی

کیوبیت منطقی در رایانش کوانتومی، به مانند سکه‌های ارزشمندی در پادشاهی فناوری هستند، نقش حیاتی ایفا می‌کنند: آن‌ها گروه‌هایی از کیوبیت‌های فیزیکی با لایه‌های اضافی اصلاح خطا هستند که قادرند اطلاعات را برای استفاده در الگوریتم‌های کوانتومی ذخیره کنند.

توسعه کیوبیت‌های منطقی به عنوان واحدهای قابل اعتماد و کنترل‌پذیر، شبیه به بیت‌های کلاسیک، چالش اساسی در این حوزه است. توافق عمومی بر این است که تا زمانی که رایانه‌های کوانتومی نتوانند به طور موثر و قابل اعتماد با کیوبیت‌های منطقی کار کنند، پیشرفت واقعی در این فناوری محقق نخواهد شد.

تاکنون، پیشرفته‌ترین سیستم‌های محاسباتی کوانتومی تنها توانسته‌اند یک یا دو کیوبیت منطقی و تنها چند عملیات دروازه کوانتومی – که معادل یک واحد کد در رایانش کلاسیک است – را نشان دهند. این نشان‌دهنده محدودیت‌های فعلی و اهمیت توسعه‌های بیشتر در ساختارها و الگوریتم‌های کوانتومی است تا بتوانند به طور کامل از پتانسیل خود بهره ببرند.

پیشرفت هاروارد در محاسبات کوانتومی

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه هاروارد به رهبری میخائیل لوکین، استاد Joshua و Beth Friedman در فیزیک و همچنین مدیر مشترک مبادرت کوانتومی هاروارد، به یک دستاورد مهم در جهت دستیابی به رایانش کوانتومی پایدار و قابل توسعه دست یافته‌اند. آنها برای نخستین بار موفق به ساخت یک پردازنده کوانتومی منطقی برنامه‌پذیر شده‌اند که قادر به رمزگذاری تا ۴۸ کیوبیت منطقی و اجرای صدها عملیات دروازه منطقی است. این سیستم به نمایش اولین اجرای الگوریتم‌های مقیاس بزرگ بر روی یک رایانه کوانتومی با اصلاح خطا دست یافته و نشان‌دهنده قدمی بزرگ به سوی رایانش کوانتومی بدون خطا و قابل اعتماد است.

این تحقیق، که نتایج آن در مجله Nature منتشر شده، با همکاری مارکوس گراینر، استاد فیزیک George Vasmer Leverett، همکاران از MIT و شرکت QuEra Computing که در بوستون مستقر است و بر پایه فناوری‌های توسعه‌یافته در آزمایشگاه‌های هاروارد بنا نهاده شده است، صورت گرفته است. همچنین دفتر توسعه فناوری هاروارد اخیراً با QuEra وارد توافقنامه‌ای برای استفاده از مجموعه‌ای از اختراعات مبتنی بر نوآوری‌های گروه لوکین شده است.

لوکین این پردازنده کوانتومی منطقی را به عنوان یک مرحله ممکن برای تغییر دیدگاه‌ها، مشابه با اوایل توسعه در زمینه هوش مصنوعی، توصیف کرده است. ایده‌هایی چون اصلاح خطای کوانتومی و تحمل خطا، که طولانی مدت تنها در حوزه نظریه بودند، حالا شروع به نشان دادن نتایج عملی کرده‌اند. این پیشرفت‌ها نویدبخش گام‌های بعدی و بزرگی در جهت دستیابی به رایانش کوانتومی پایدار و مؤثر هستند.

مفاهیم و جهت گیری های آینده

میخائیل لوکین از دانشگاه هاروارد با اشاره به پیشرفت‌های اخیر در رایانش کوانتومی، این دوره را به عنوان یک لحظه خاص و تعیین‌کننده توصیف کرده است. او بیان کرد که اگرچه هنوز چالش‌هایی وجود دارد، اما انتظار می‌رود این پیشرفت‌های جدید، پیشرفت به سوی رایانه‌های کوانتومی کاربردی و در مقیاس بزرگ را به شدت تسریع بخشند. این اظهارات نشان دهنده امیدواری و انتظارات بالا برای آینده رایانش کوانتومی است.

پیشرفت‌های اخیر بر پایه چندین سال تحقیق و توسعه در معماری رایانش کوانتومی به نام آرایه اتم‌های خنثی استوار است، یک فناوری که در آزمایشگاه لوکین پیشگام شده و اکنون توسط شرکت QuEra در حال تجاری‌سازی است. در این سیستم، یک جمعیت از اتم‌های روبیدیم بسیار سرد و معلق به عنوان کیوبیت‌های فیزیکی عمل می‌کنند که می‌توانند حرکت کنند و در طول محاسبات به صورت جفت‌های درهم‌تنیده یا متصل شوند. این جفت‌های درهم‌تنیده در نهایت دروازه‌های کوانتومی را تشکیل می‌دهند که به عنوان واحدهای اصلی توان محاسباتی عمل می‌کنند. تیم تحقیقاتی پیشتر موفقیت‌هایی در کاهش خطاهای عملیات درهم‌تنیدگی خود را نشان داده بود، که این موفقیت‌ها قابلیت اطمینان و عملکرد سیستم آرایه اتم خنثی را تایید می‌کنند.

دنیس کالد ول، مدیر کمکی سرپرست بخش علوم ریاضی و فیزیکی در موسسه ملی علوم، که پشتیبانی مالی از پروژه را از طریق مراکز Physics Frontiers و برنامه‌های Quantum Leap Challenge Institutes ارائه داده است، پیشرفت‌های اخیر را به عنوان “یک نمایش قدرت در مهندسی و طراحی کوانتومی” توصیف کرده است.

او تأکید کرد که تیم نه تنها سرعت توسعه پردازش اطلاعات کوانتومی را با استفاده از اتم‌های خنثی افزایش داده است، بلکه مسیری برای تحقیقات آینده و توسعه دستگاه‌های کیوبیت منطقی مقیاس بزرگ که می‌توانند تأثیرات انقلابی در علم و جامعه داشته باشند، باز کرده است.

با استفاده از پردازنده کوانتومی منطقی جدید، محققان اکنون قادر به کنترل همزمان و چندگانه یک گروه کامل از کیوبیت‌های منطقی با استفاده از لیزرها هستند، که روشی کارآمدتر و قابل توسعه‌تر نسبت به کنترل فردی کیوبیت‌های فیزیکی است.

دولف بلووستاین، نویسنده اول مقاله و دانشجوی دکتری از Griffin School of Arts and Sciences در آزمایشگاه Lukin، اظهار داشت که هدف آنها نمایش یک گذار در حوزه است، به سمت شروع به کار با الگوریتم‌ها با استفاده از کیوبیت‌های اصلاح‌شده خطا به جای کیوبیت‌های فیزیکی، و همچنین ارائه مسیری به سمت ساخت دستگاه‌های بزرگ‌تر. این تیم قصد دارد کار خود را ادامه دهد تا نمایش بیشتری از عملیات‌ها روی ۴۸ کیوبیت منطقی خود ارائه دهد و سیستم خود را برای اجرای مداوم بهینه‌سازی کند، به جای رویکرد دستی که اکنون استفاده می‌شود.