فصل جدید رایانش کوانتومی با تراشه جدید گوگل
با وجود پیشرفت‌های صورت‌گرفته برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی، سیستم‌های مبتنی بر کیوبیت همچنان ناپایدار و به‌شدت مستعد خطاست، اما به نظر می‌رسد گوگل گامی بزرگ در حل این مشکل برداشته است؛ با استفاده از یک تراشه کوانتومی جدید به نام ویلو، مهندسان گوگل به دستاورد مهمی در مدیریت خطاها رسیده‌اند.
آنها توانسته‌اند یک کیوبیت منطقی را به اندازه‌ای پایدار نگه دارند که خطاها تنها حدود یک‌بار در هر ساعت رخ دهد؛ پیشرفتی بزرگ نسبت به سیستم‌های قبلی که هر چند ثانیه یک‌بار دچار خطا می‌شدند.کیوبیت‌ها واحدهای اساسی اطلاعات کوانتومی هستند. برخلاف بیت‌های رایانه‌های کلاسیک که می‌توانند مقدار صفر یا یک را ذخیره کنند، کیوبیت‌ها می‌توانند صفر، یک یا حالتی از ترکیب هر دو را ذخیره کنند. این ویژگی ابزاری قدرتمند برای طراحی الگوریتم‌هایی است که مسائل پیچیده را سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک حل می‌کنند، یا حتی مسائل غیرممکنی را ممکن می‌سازند.
چالش‌های خطا در سیستم‌های کوانتومی
کیوبیت‌ها بسیار حساس هستند و به‌راحتی با محیط پیرامون خود درگیر شده وخواص ریاضیاتی‌شان را از دست می‌دهند. در حالی که سیستم‌های فعلی توانسته‌اند به سطحی از اطمینان99.9درصدی برسند،سیستم‌های عملیاتی نیاز دارند نرخ خطا را به چیزی نزدیک به یک در تریلیون کاهش دهند.برای مقابله با این خطاها، پژوهشگران می‌توانند یک کیوبیت منطقی را در میان چندین کیوبیت فیزیکی گسترش دهند اما این راهکار زمانی مؤثر است که کیوبیت‌های فیزیکی اضافه‌شده بتوانند خطاها را با سرعت بیشتری اصلاح کنند.
پیشرفت قابل‌توجه ویلو
مایکل نیومن و کوین ساتزینگر، پژوهشگران تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل، در مقاله‌ای که از نتایج پژوهش‌شان در نشریه علمی نیچر منتشرشده، اعلام کرده‌اند: ویلو اولین پردازنده‌ای است که درآن کیوبیت‌های اصلاح‌شده خطا با افزایش اندازه، به صورت نمایی بهتر می‌شوند.هربار که تعداد کیوبیت‌های کدگذاری‌شده را از شبکه‌ای ۳×۳ به ۵×۵ وسپس ۷×۷ افزایش می‌دهیم، نرخ خطا به نصف کاهش می‌یابد.تراشه ویلو دارای ۱۰۵ کیوبیت فیزیکی است و ترکیب معماری آن با الگوریتم‌های اصلاح خطا، موفقیت قابل توجهی در پایداری به دست‌آورده است؛ جایی که کیوبیت‌های بیشتر، خطاهای کمتری را به همراه دارند.
راهی طولانی اما امیدوارکننده
این مشکل از دهه ۱۹۹۰، یعنی زمان معرفی تکنیک‌های اصلاح خطای کوانتومی، وجودداشته است. درحالی که هنوز مسیر طولانی برای دستیابی به رایانش کوانتومی کامل باقی است؛ با این رویکرد، انجام عملیات‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ ممکن به نظر می‌رسد.نیومن و ساتزینگر می‌گویند: این نشان‌دهنده کاهش نمایی خطاست که از سوی اصلاح خطای کوانتومی وعده داده شده بود؛هدفی‌نزدیک به۳۰ساله برای رایانش کوانتومی‌وعنصر کلیدی‌برای بازکردن‌راه به‌سوی‌کاربردهای بزرگ‌مقیاس کوانتومی. علاوه بر پایداری، ویلو مزایای دیگری نیز دارد. به گفته گوگل، این تراشه می‌تواند وظیفه‌ای خاص را در پنج دقیقه انجام دهد، درحالی که یکی ازسریع‌ترین ابررایانه‌های موجودبرای انجام همان وظیفه به۱۰سپتیلیون سال زمان نیاز دارد.اگرچه خطاها همیشه در سیستم‌های کوانتومی وجود خواهد داشت اما هدف پژوهشگران این است که آنها را به اندازه‌ای کم کنند که رایانش کوانتومی عملی شود. این امر مستلزم سخت‌افزارهای بهتر، کیوبیت‌های بیشتر و الگوریتم‌های پیشرفته‌تر است. نیومن و ساتزینگر نتیجه می‌گیرند: به نظر می‌رسد اصلاح خطای کوانتومی اکنون در حال رخ دادن است اما فاصله بزرگی بین نرخ خطای یک در هزار فعلی و نرخ خطای یک در تریلیون مورد نیاز آینده وجود دارد.
چالش‌های خطا در سیستم‌های کوانتومی
کیوبیت‌ها بسیار حساس هستند و به‌راحتی با محیط پیرامون خود درگیر شده وخواص ریاضیاتی‌شان را از دست می‌دهند. در حالی که سیستم‌های فعلی توانسته‌اند به سطحی از اطمینان99.9درصدی برسند،سیستم‌های عملیاتی نیاز دارند نرخ خطا را به چیزی نزدیک به یک در تریلیون کاهش دهند.برای مقابله با این خطاها، پژوهشگران می‌توانند یک کیوبیت منطقی را در میان چندین کیوبیت فیزیکی گسترش دهند اما این راهکار زمانی مؤثر است که کیوبیت‌های فیزیکی اضافه‌شده بتوانند خطاها را با سرعت بیشتری اصلاح کنند.
پیشرفت قابل‌توجه ویلو
مایکل نیومن و کوین ساتزینگر، پژوهشگران تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل، در مقاله‌ای که از نتایج پژوهش‌شان در نشریه علمی نیچر منتشرشده، اعلام کرده‌اند: ویلو اولین پردازنده‌ای است که درآن کیوبیت‌های اصلاح‌شده خطا با افزایش اندازه، به صورت نمایی بهتر می‌شوند.هربار که تعداد کیوبیت‌های کدگذاری‌شده را از شبکه‌ای ۳×۳ به ۵×۵ وسپس ۷×۷ افزایش می‌دهیم، نرخ خطا به نصف کاهش می‌یابد.تراشه ویلو دارای ۱۰۵ کیوبیت فیزیکی است و ترکیب معماری آن با الگوریتم‌های اصلاح خطا، موفقیت قابل توجهی در پایداری به دست‌آورده است؛ جایی که کیوبیت‌های بیشتر، خطاهای کمتری را به همراه دارند.
راهی طولانی اما امیدوارکننده
این مشکل از دهه ۱۹۹۰، یعنی زمان معرفی تکنیک‌های اصلاح خطای کوانتومی، وجودداشته است. درحالی که هنوز مسیر طولانی برای دستیابی به رایانش کوانتومی کامل باقی است؛ با این رویکرد، انجام عملیات‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ ممکن به نظر می‌رسد.نیومن و ساتزینگر می‌گویند: این نشان‌دهنده کاهش نمایی خطاست که از سوی اصلاح خطای کوانتومی وعده داده شده بود؛هدفی‌نزدیک به۳۰ساله برای رایانش کوانتومی‌وعنصر کلیدی‌برای بازکردن‌راه به‌سوی‌کاربردهای بزرگ‌مقیاس کوانتومی. علاوه بر پایداری، ویلو مزایای دیگری نیز دارد. به گفته گوگل، این تراشه می‌تواند وظیفه‌ای خاص را در پنج دقیقه انجام دهد، درحالی که یکی ازسریع‌ترین ابررایانه‌های موجودبرای انجام همان وظیفه به۱۰سپتیلیون سال زمان نیاز دارد.اگرچه خطاها همیشه در سیستم‌های کوانتومی وجود خواهد داشت اما هدف پژوهشگران این است که آنها را به اندازه‌ای کم کنند که رایانش کوانتومی عملی شود. این امر مستلزم سخت‌افزارهای بهتر، کیوبیت‌های بیشتر و الگوریتم‌های پیشرفته‌تر است. نیومن و ساتزینگر نتیجه می‌گیرند: به نظر می‌رسد اصلاح خطای کوانتومی اکنون در حال رخ دادن است اما فاصله بزرگی بین نرخ خطای یک در هزار فعلی و نرخ خطای یک در تریلیون مورد نیاز آینده وجود دارد.