دانشمندان از یک استراتژی جدید تصحیح خطا برای رمزگذاری ۷۰ کیوبیت منطقی و به چالش کشیدن مسئلهای استفاده کردند که از نظر کلاسیک غیرقابل حل تلقی میشد.
محاسبات کوانتومی در حدود ۱۵ دقیقه تکمیل شد، در حالی که روشهای پیشرو رایانش کلاسیک برای انجام همان کار به زمان غیرعملی نیاز داشتند.
آیبیام و محققان دانشگاه شیکاگو اعلام کردند که یک نمایش محاسبات کوانتومی را انجام دادهاند که معیارهای کلیدی برای برتری کوانتومی را برآورده میسازد. این آزمایش محاسبهای را انجام داد که فراتر از توان عملی روشهای شبیهسازی کلاسیک پیشرو بود و همزمان شواهدی ارائه داد که نشان میدهد کامپیوتر کوانتومی نتیجهای قابل اعتماد تولید کرده است.
در مقاله جدیدی با عنوان «نمونهبرداری از مدارهای سخت با وفاداری قابل اثبات»، محققان توصیف میکنند که چگونه به هر دو هدف با استفاده از شکل جدیدی از مدار کوانتومی رمزگذاریشده دست یافتهاند. این کار یکی از بزرگترین نمایشهای گزارششده تاکنون در زمینه رایانش کوانتومی منطقی را نمایندگی میکند.
مدارها و نتایج آزمایشگاهی همچنین از طریق ردیاب برتری کوانتومی به صورت عمومی در دسترس قرار گرفتهاند.
چرا نتایج کوانتومی اینقدر دشوار قابل اعتبارسنجی هستند
محققان مدتهاست که از معیاری به نام نمونهبرداری مدار تصادفی (RCS) برای بررسی اینکه آیا رایانههای کوانتومی میتوانند از ماشینهای متعارف پیشی بگیرند، استفاده میکنند.
به زبان ساده، RCS یک رایانه کوانتومی را به چالش میکشد تا الگوهایی را تولید کند که آنقدر پیچیده میشوند که یک رایانه کلاسیک نمیتواند آنها را بهطور کارآمد بازتولید کند. این امر این معیار را برای آزمایش محدودیتهای شبیهسازی کلاسیک مفید میسازد.
اما این موضوع همچنین مشکل بزرگی ایجاد میکند. زمانی که محاسبات کوانتومی برای رایانههای کلاسیک بیش از حد دشوار شود، اعتبارسنجی اینکه آیا ماشین کوانتومی واقعاً نتیجه صحیح را تولید کرده است نیز بهطور فزایندهای دشوار میشود. در نهایت، بررسی پاسخ بدون فرضیات قوی درباره نحوه عملکرد داخلی رایانه کوانتومی غیرممکن خواهد شد.
تیم آیبیام و دانشگاه شیکاگو برای رویارویی با این مشکل اعتبارسنجی، جایگزینی ساختاریافتهتر برای RCS توسعه دادند.
محققان نشان دادند که روش آنها همان معیارهای سختی محاسباتی مرتبط با RCS را حفظ میکند، به این معنی که مسئله برای رایانههای کلاسیک همچنان بسیار دشوار باقی میماند. در عین حال، ساختار افزوده شده امکان تشخیص خطاها را در حین محاسبات کوانتومی فراهم میکند.
بیل ففرمن، دانشیار دانشگاه شیکاگو، گفت: «اعتبارسنجی همچنان یکی از بزرگترین چالشها در تثبیت قطعی برتری تجربی کوانتومی است.» وی افزود: «این آزمایش تکنیکهایی را برای مشخصسازی بهتر وفاداری حالتهای کوانتومی سخت تحت نویز توسعه میدهد و اعتماد به این موضوع را افزایش میدهد که رایانه کوانتومی در حال حل یک مسئله محاسباتی دشوار است.»
سومیک گوش، دانشجوی دکتری گروه ففرمن در دانشگاه شیکاگو، اضافه کرد: «فراتر از تقویت اعتبارسنجی تجربی، پیشرفتها در اعتبارسنجی پتانسیل آزادسازی کاربردهای عملی برای نسل بعدی رایانههای کوانتومی را دارند.»
۷۰ کیوبیت منطقی با نرخ خطای پایینتر
این آزمایش همچنین شامل یکی از بزرگترین نمایشهای شناختهشده تصحیح خطای کوانتومی در جهان بود.
محققان ۷۰ کیوبیت منطقی را عملیاتی کردند. برخلاف کیوبیتهای فیزیکی منفرد، کیوبیتهای منطقی به گونهای رمزگذاری میشوند که به محافظت از اطلاعات کوانتومی در برابر خطاها و نویز کمک میکنند.
با استفاده از این کیوبیتهای منطقی، تیم ۲۴۱۵ عملیات دوقلو منطقی و ۴۶۸ «گیت T» منطقی انجام داد؛ دو معیاری که پیچیدگی مدار کوانتومی را منعکس میکنند.
طراحی رمزگذاریشده قابلیت اطمینان را بهطور قابل توجهی بهبود بخشید. نرخهای خطای منطقی مؤثر ۱۰ برابر کمتر از نرخهای خطای فیزیکی پایه بودند که اجازه داد مدار حتی در حین انجام تعداد زیادی عملیات کوانتومی، وفاداری بسیار بالایی را حفظ کند.
آیبیام میگوید برتری کوانتومی وارد مرحله جدیدی شده است
جی گامبتا، مدیر تحقیقات آیبیام و همکار ارشد آیبیام، گفت: «ما اکنون بهطور قاطع در عصر برتری کوانتومی قرار داریم.» وی افزود: «ما یک محاسبات کوانتومی را فراتر از توان عملی رایانههای کلاسیک نشان دادهایم که با اطمینان آماری، کران پایینی از وفاداری اجرای آن را تعیین میکند. این نقطه عطف، پایهای جدید برای دانشمندان، توسعهدهندگان و کسبوکارها ایجاد میکند تا هنگام مقیاسپذیری رایانههای کوانتومی برای حل مسائل بسیار فراتر از آنچه به صورت کلاسیک امکانپذیر است، به آنها اعتماد کنند.»
محققان دریافتند که بسیاری از روشهای پیشرو شبیهسازی کلاسیک هنگام تلاش برای انجام همان کار با زمانهای اجرا ممنوعالطبع مواجه خواهند شد.
رایانه کوانتومی آیبیام، در مقایسه، محاسبات را در حدود ۱۵ دقیقه تکمیل کرد.
گامی به سوی رایانههای کوانتومی بزرگتر و قابلاعتمادتر
سرعت به تنهایی برای مفید بودن رایانش کوانتومی در مقیاسهای بزرگ کافی نیست. محققان همچنین به راههایی برای سرکوب خطاها و ایجاد اطمینان از اینکه یک سیستم کوانتومی نتیجه معتبری تولید کرده است، نیاز دارند.
این آزمایش با ترکیب رایانش کوانتومی منطقی در مقیاس بزرگ با روشی برای ارزیابی قابلیت اطمینان محاسبهای که هماکنون فراتر از شبیهسازی کلاسیک عملی است، به هر دو هدف همزمان پیشرفت میبخشد.
تصحیح خطا و اعتبارسنجی قابل اعتماد برای مقیاسپذیری رایانههای کوانتومی به سمت مسائل دشوارتر ضروری دانسته میشود که این نمایش جدید را گامی مهم به سوی آن هدف تبدیل میکند.