موفقیت بزرگ گوگل در کاهش خطاهای رایانه کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی یک مشکل ناخوشایند دارند؛ آنها در اشتباه کردن به طرز شگفت‌انگیزی کارآمد هستند.

این ماشین‌های شگفت‌انگیز می‌توانند روزی مسائلی را حل کنند که حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های مرسوم را نیز به زانو درمی‌آورند، اما حالت‌های کوانتومی پشت قدرت محاسباتی باورنکردنی آنها نیز فوق‌العاده شکننده هستند و کنترل خطاها یک کار عظیم است.

در واقع یک رایانه کوانتومی کاملاً کاربردی می‌تواند بیشتر منابع خود را نه به انجام محاسبات، بلکه صرفاً به اطمینان از صحت آن محاسبات اختصاص دهد.

اکنون جادوگران گوگل با استفاده از تکنیکی با نام مناسب «پرورش حالت جادویی»( magic state cultivation)، روش جدیدی را برای کاهش قابل توجه خطا در محاسبات کوانتومی نشان داده‌اند.

محققان در مقاله‌ای که در مجله Science منتشر شده است، می‌نویسند: نتایج ما به صورت تجربی، پرورش حالت جادویی را به عنوان یک راه حل مناسب برای یکی از مهم‌ترین چالش‌های محاسبات کوانتومی اثبات می‌کند.

کامپیوترهای کوانتومی توانایی‌های غیرمعمول خود را از فیزیک عجیبی که بر ذرات در کوچکترین مقیاس‌ها حاکم است، می‌گیرند.

در جایی که بیت‌ها در یک کامپیوتر کلاسیک اطلاعات را به صورت یکی از دو حالت ۱ یا ۰ نشان می‌دهند، بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها می‌توانند تا زمانی که اندازه‌گیری نشوند، در یک برهم‌نهی از هر دو وجود داشته باشند. اندازه‌گیری، این برهم‌نهی را از بین می‌برد و تنها یک نتیجه قطعی به دست می‌دهد.

حساسیت این برهم‌نهی هم نقطه قوت و هم نقطه ضعف است. حالت‌های کوانتومی که این ماشین‌ها را بسیار قدرتمند می‌کنند، می‌توانند با کوچکترین تداخل از محیط اطرافشان مختل شوند و خطاهایی را ایجاد کنند که می‌توانند به سرعت یک محاسبه را از مسیر خارج کنند.

کامپیوترهای کوانتومی برای کنترل این خطاها به سیستم‌های تصحیح خطای پیچیده‌ای نیاز دارند که از چندین کیوبیت فیزیکی برای محافظت از اطلاعات رمزگذاری شده در یک کیوبیت منطقی استفاده می‌کنند، اما حتی با وجود این محافظت، مشکل دیگری باقی می‌ماند. انجام قابل اعتماد برخی از عملیات مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی پیچیده بسیار دشوارتر از سایرین است.

فیزیکدانان برای حل این مشکل، چیزی به نام «حالت‌های جادویی» اختراع کردند که حالت‌های کوانتومی هستند که از قبل آماده شده‌اند و به کامپیوترها اجازه می‌دهند عملیات کوانتومی دشوار را بدون به خطر انداختن تصحیح خطای خود انجام دهند.

مشکل این است که هر حالت جادویی فقط یک بار قابل استفاده است، بنابراین یک کامپیوتر کوانتومی به منبع ثابتی از حالت‌های جدید نیاز دارد و ایجاد حالت‌های جادویی به خودی خود کار دشواری است.

در حین آماده‌سازی «حالت‌های جادویی» ممکن است خطاها رخ دهند. از این رو، پژوهشگران به‌طور سنتی به روشی به نام «تقطیر حالت جادویی»(magic state distillation) متکی بوده‌اند. در این تکنیک، مجموعه‌ای از حالت‌های جادوییِ ناقص پردازش می‌شوند تا تعداد کمتری از حالت‌های قابل‌اطمینان‌تر به دست آید.

این روش مؤثر است، اما می‌تواند نیازمند سخت‌افزار کوانتومی گسترده و صرف زمان پردازش زیادی باشد.

در سال ۲۰۲۴، پژوهشگران گوگل کار روی ایده‌ای به نام «پرورش حالت جادویی»(magic state cultivation) را آغاز کردند.

برای درک بهتر، می‌توان آن را به یک گلخانه تشبیه کرد. در این تمثیل، «تقطیر حالت جادویی» مانند پرورش تعداد زیادی بوته گل رز در یک گلخانه کامل است که در نهایت از آنها برای تولید تعداد کمتری گلِ ممتاز استفاده می‌شود.

در مقابل، «پرورش حالت جادویی» شبیه به پرورش تنها یک گیاه است که در طول مسیر به‌دقت مراقبت و هرس می‌شود تا به بهترین شکل ممکن درآید. اگر در هر مرحله مشکلی پیش بیاید، آن گیاه کنار گذاشته می‌شود و کار با یک بذر جدید از نو آغاز می‌گردد.

در نهایت، شما یک گیاه واقعاً فوق‌العاده خواهید داشت، بدون اینکه برای رسیدن به آن به یک گلخانه کامل نیاز داشته باشید. هدف این ایده لزوماً تولید حالت جادوییِ بهتر از روش‌های مرسوم نیست، بلکه تولید حالتی با کیفیتِ مشابه، اما با استفاده از منابع کمتر است.

اکنون تیم گوگل این ایده را روی پردازنده کوانتومی خود به نام «ویلو»(Willow) آزمایش کرده است و نتایج امیدوارکننده‌ای به دست آمده است.

پژوهشگران با استفاده از روش «پرورش حالت جادویی»، خطاها در فرآیند آماده‌سازی را حدود ۴۰ برابر کاهش دادند و حالت‌های جادویی با «وفاداری» حداقل ۹۹.۹۹ درصد تولید کردند.

البته یک بده‌بستان (هزینه) وجود دارد. پژوهشگران برای دستیابی به این سطح از قابلیت اطمینان مجبور شدند بیشترِ تلاش‌های خود را کنار بگذارند، به‌طوری که در سخت‌گیرانه‌ترین اجراها، تنها حدود ۸ درصد از نتایج حفظ شدند.

در طول این فرآیند، یک مشکل عجیب و قابل‌توجه نیز پیش آمد که خود منجر به یک دستاورد کوچک دیگر شد.

یکی از بخش‌های حیاتی در اثبات کارایی یک تکنیک کوانتومی، نشان دادن این واقعیت است که آن تکنیک واقعاً درست عمل کرده است. در مورد حالت جادوییِ پرورش‌یافته، این کار به‌ویژه دشوار است؛ زیرا چگونه می‌توان چیزی را که خطاهای بسیار ناچیزی دارد، به‌دقت اندازه‌گیری کرد؟

گوگل در یک پست وبلاگی اعلام کرد زمانی که «اما روزنفلد»(Emma Rosenfeld)، فیزیکدان کوانتومی در گوگل برای نخستین بار این تکنیک پرورش را آزمایش کرد، نتایج به‌گونه‌ای به نظر می‌رسیدند که گویی قوانین فیزیک را نقض می‌کنند.

ماه‌ها بررسی لازم بود تا مشخص شود که ریشه مشکل به خودِ روشِ اندازه‌گیری «وفاداری» حالت بازمی‌گردد. نوسانات جزئی در تجهیزات آزمایشگاهی، از جمله تغییرات دما، موجب ایجاد نویزی می‌شد که رویکرد معمولِ تیم را غیرقابل‌اعتماد می‌کرد.

محققان سرانجام تکنیک جدیدی به نام «توموگرافی پس‌زننده»(kickback tomography) را توسعه دادند که به آنها اجازه می‌داد قابلیت اطمینان حالت‌های پرورش یافته را بدون اعوجاج‌هایی که اندازه‌گیری‌های قبلی آنها را مختل کرده بود، ارزیابی کنند.

در نهایت، این تیم نشان داد که حالت جادویی پرورش یافته آنها می‌تواند به یک کد تصحیح خطای کوانتومی بزرگ‌تر منتقل شود که گامی حیاتی برای به‌کارگیری آن در محاسبات کوانتومی واقعی است.

این یک شکست کامل نبود. کد بزرگ‌تر خطاهای بیشتری را ایجاد کرد، اما این قطعه بعدی پازلی خواهد بود که باید به آن پرداخته شود.

با این حال، نتایج نشان می‌دهد که پرورش حالت جادویی می‌تواند روی سخت‌افزار کوانتومی واقعی کار کند و جایگزین امیدوارکننده‌ای برای روش‌های پرهزینه‌ای که محققان مجبور به تکیه بر آنها بوده‌اند، ارائه می‌دهد.

محققان می‌گویند: در نهایت، این یافته‌ها پرورش حالت جادویی را از یک مطالعه نظری به یک واقعیت تجربی تبدیل می‌کنند و مسیری عملی برای منطق جهانی در پردازنده‌های ابررسانا فراهم می‌کنند.

این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.