پیشرفت چشمگیر در رایانش کوانتومی با استفاده از کیوبیت‌های الماسی

پژوهشگران شرکت ژاپنی Fujitsu با همکاری مؤسسه QuTech و دانشگاه فناوری دلفت هلند، موفق شدند با استفاده از کیوبیت‌های الماسی، رکورد جهانی کمترین نرخ خطا در رایانه‌های کوانتومی را به ثبت برسانند.

به گزارش تک‌ناک، محققان در این پروژه، با طراحی مجموعه‌ای از دروازه‌های کوانتومی توانستند به نرخ خطایی کمتر از ۰.۱ درصد دست یابند؛ رقمی بی‌سابقه که در برخی دروازه‌ها حتی به ۰.۰۰۱ درصد نیز رسیده است.

رایانه‌های کوانتومی به‌ عنوان آینده محاسبات شناخته می‌شوند. این دستگاه‌ها می‌توانند مسائلی را در چند دقیقه حل کنند که حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های فعلی برای انجام آنها به دهه‌ها زمان نیاز دارند. آنها عملیات پایه موسوم به «دروازه‌های کوانتومی» را با بهره‌گیری از حالت‌های کوانتومی مواد پردازش می‌کنند و دقت این دروازه‌ها، نقش کلیدی در کیفیت نهایی محاسبات دارد. به همین دلیل، کاهش نرخ خطا در دروازه‌های کوانتومی یکی از مهم‌ترین چالش‌ها و اهداف پژوهشگران در این حوزه به حساب می‌آید.

تیم تحقیقاتی در این دستاورد، با استفاده از نوع خاصی از کیوبیت‌ها که بر پایه چرخش‌های الکترونی و هسته‌ای در ساختار بلورین الماس شکل گرفته‌اند، سامانه‌ای دوکیوبیتی ساختند. این کیوبیت‌ها برخلاف کیوبیت‌های ابررسانا که تنها در نزدیکی صفر مطلق عمل می‌کنند، می‌توانند در دماهایی تا ۱۰ کلوین فعالیت داشته باشند؛ یعنی حدود صد برابر گرم‌تر از شرایط لازم برای ابررساناها است. علاوه بر این، کیوبیت‌های چرخشی الماس قابلیت پیوند با فوتون‌ها را دارند و می‌توانند حالت‌های کوانتومی را بدون آسیب از نویز محیطی منتقل کنند؛ ویژگی‌هایی که آنها را گزینه‌ای مناسب برای استفاده در شبکه‌های کوانتومی ساخته است.

پژوهشگران برای ساخت این سامانه، با شرکت Element Six، تولیدکننده الماس‌های مصنوعی همکاری کردند و با کاهش میزان ایزوتوپ کربن-۱۳ در ساختار الماس، توانستند نویز محیطی را به حداقل برسانند. هانس بارتلینگ، پژوهشگر مؤسسه QuTech در این‌باره گفت:

«برای دستیابی به چنین سطحی از دقت، لازم بود که تمام منابع خطا را به‌ صورت نظام‌مند حذف کنیم. نخست از الماس‌هایی فوق‌خالص استفاده کردیم و سپس دروازه‌هایی طراحی شد که به‌ دقت کیوبیت‌ها را از تعامل با یکدیگر و با نویز محیطی جدا می‌کردند.»

تیم پژوهشی در ادامه این پروژه برای بررسی دقیق عملکرد دروازه‌های کوانتومی از روشی به نام «توموگرافی مجموعه دروازه‌ها» بهره گرفت، که اطلاعات دقیقی درباره میزان خطای هر دروازه و قدرت پالس‌های کنترلی ارائه می‌داد. این اطلاعات سپس برای بهینه‌سازی دروازه‌ها مورد استفاده قرار گرفت. در نهایت، با اجرای الگوریتمی مصنوعی شامل ۸۰۰ عملیات متوالی، دقت بالای سامانه به‌ طور عملی تأیید شد.

پژوهشگران اعلام کردند که در مرحله بعد قصد دارند با افزودن چرخش‌های هسته‌ای بیشتر به سامانه و توسعه ارتباطات نوری میان کیوبیت‌ها، امکان مدیریت تعداد بیشتری از کیوبیت‌ها را فراهم کنند. این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز طراحی رایانه‌های کوانتومی بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر در آینده‌ای نزدیک باشد.