بحث جديد يعالج تحديًا رئيسيًا للحوسبة الكمومية القوية

لبناء كمبيوتر كمي عالمي من مكونات كمومية هشة ، فإن التنفيذ الفعال لتصحيح الخطأ الكمي (QEC) هو مطلب رئيسي وتحدي مركزي. يتم استخدام QEC في الحوسبة الكمومية ، والتي لديها القدرة على حل المشكلات العلمية التي تتجاوز متناول الحواسيب العملاقة ، لحماية المعلومات الكمية من الأخطاء بسبب الضوضاء المختلفة.

نشرته المجلة الطبيعة، وهو بحث شارك في تأليفه الفيزيائي تشين وانغ من جامعة ماساتشوستس في أمهيرست ، وطلاب الدراسات العليا جيفري جيرتلر وشروتي شيرول ، وباحث ما بعد الدكتوراه جوليانج لي ، يتخذون خطوة نحو بناء كمبيوتر كمومي يتحمل الأخطاء لقد حققوا نوعًا جديدًا من QEC حيث يتم تصحيح الأخطاء الكمية تلقائيًا.

تم تصميم أجهزة الكمبيوتر اليوم باستخدام ترانزستورات تمثل البتات الكلاسيكية (0 أو 1). تعد الحوسبة الكمومية نموذجًا جديدًا مثيرًا للحوسبة باستخدام البتات الكمية (كيوبت) حيث يمكن استغلال التراكب الكمي لتحقيق مكاسب أسية في قوة المعالجة. التسامح مع الخطأ الاحصاء الكمية يمكن أن يعزز اكتشاف المواد الجديدة بشكل كبير ، ذكاء إصطناعيوالهندسة البيوكيميائية والعديد من التخصصات الأخرى.

نظرًا لأن الكيوبتات هشة بطبيعتها ، فإن التحدي الأكثر بروزًا في بناء مثل هذه الحواسيب الكمومية القوية هو التنفيذ الفعال لتصحيح الخطأ الكمومي. العروض التوضيحية الحالية لـ QEC نشطة ، مما يعني أنها تتطلب فحصًا دوريًا للأخطاء وإصلاحها على الفور ، وهو أمر يتطلب الكثير من موارد الأجهزة وبالتالي يعيق توسيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

من ناحية أخرى ، تحقق تجربة الباحثين QEC سلبيًا عن طريق تكييف الاحتكاك (أو التبديد) الذي يمر به الكيوبت. نظرًا لأن الاحتكاك يعتبر بشكل عام عدوًا للتماسك الكمي ، فقد تبدو هذه النتيجة مفاجئة تمامًا. الحيلة هي أن التبديد يجب أن يصمم على وجه التحديد بطريقة كمية. هذه الاستراتيجية العامة معروفة من الناحية النظرية منذ حوالي عقدين من الزمن ، ولكن الطريقة العملية لتحقيق مثل هذا التبديد وتنفيذها في QEC كانت بمثابة تحدي.

يقول تشين: “على الرغم من أن تجربتنا لا تزال دليلًا بدائيًا إلى حد ما ، فقد أدركنا أخيرًا هذا الاحتمال النظري غير المنطقي المتمثل في تشتيت QEC”. “بالنسبة للمستقبل ، فإن المعنى الضمني هو أنه قد يكون هناك المزيد من الطرق لحماية الكيوبتات الخاصة بنا من الأخطاء والقيام بذلك بشكل أرخص. لذلك ، فإن هذه التجربة تثير احتمالية بناء متسامح كمي مع الأخطاء. الحاسوب على المدى المتوسط ​​والطويل. “

يصف تشين بعبارات عامة كيف يمكن أن يكون العالم الكمي غريبًا. “كما في المثال الشهير (أو سيئ السمعة) للفيزيائي الألماني إروين شرودنغر ، يمكن أن تكون القطة الملفوفة في صندوق مغلق ميتة أو حية في نفس الوقت. كل كيوبت منطقي في معالجنا الكمي يشبه إلى حد كبير قطة شرودنغر الصغيرة. في الواقع ، نسميها حرفياً “قطة” كيوبت“. يمكن أن يساعدنا وجود الكثير من هذه القطط في حل بعض أصعب مشاكل العالم.

يشرح تشين: “لسوء الحظ ، من الصعب جدًا الاحتفاظ بقطط بهذه الطريقة لأن أي غاز أو ضوء أو أي تسرب في الصندوق سيدمر السحر: إما أن القطة ستموت أو مجرد قطة حية عادية”. “إن أبسط إستراتيجية لحماية قطة شرودنغر هي جعل الصندوق ضيقًا قدر الإمكان ، ولكن هذا أيضًا يجعل استخدامه أكثر صعوبة في الحساب. ما أظهرناه للتو كان أقرب إلى طلاء داخل الصندوق. الصندوق بطريقة خاصة ويساعد القط بطريقة ما على النجاة بشكل أفضل من الضرر الحتمي من العالم الخارجي “.