برای اینکه کامپیوترهای کوانتومی در عمل مفید باشند، باید خطاها شناسایی و اصلاح شوند. در دانشگاه اینسبروک، اتریش، تیمی از فیزیکدانان تجربی اکنون برای اولین بار مجموعه ای جهانی از عملیات محاسباتی را بر روی بیت های کوانتومی متحمل خطا پیاده سازی کرده اند که نشان می دهد چگونه می توان یک الگوریتم را روی یک کامپیوتر کوانتومی برنامه ریزی کرد تا خطاها خراب نشوند. نتیجه.
در رایانه های مدرن، خطاها در حین پردازش و ذخیره سازی اطلاعات به دلیل ساخت با کیفیت بالا به امری نادر تبدیل شده است. با این حال، برای کاربردهای حیاتی، جایی که حتی خطاهای منفرد می‌توانند اثرات جدی داشته باشند، مکانیسم‌های تصحیح خطا بر اساس افزونگی داده‌های پردازش‌شده همچنان استفاده می‌شوند.
کامپیوترهای کوانتومی ذاتاً بسیار مستعد اختلالات هستند و بنابراین احتمالاً همیشه به مکانیسم‌های تصحیح خطا نیاز دارند، زیرا در غیر این صورت خطاها به‌طور کنترل نشده در سیستم منتشر می‌شوند و اطلاعات از بین می‌رود. از آنجایی که قوانین اساسی مکانیک کوانتومی کپی کردن اطلاعات کوانتومی را ممنوع می کند، افزونگی را می توان با توزیع اطلاعات کوانتومی منطقی در یک حالت درهم تنیده از چندین سیستم فیزیکی، به عنوان مثال چندین اتم منفرد، به دست آورد.
تیمی به سرپرستی توماس مونز از دپارتمان فیزیک تجربی در دانشگاه اینسبروک و مارکوس مولر از دانشگاه RWTH آخن و Forschungszentrum Jülich در آلمان اکنون برای اولین بار موفق به تحقق مجموعه ای از عملیات محاسباتی بر روی دو بیت کوانتومی منطقی شده اند. برای اجرای هر عملیات ممکن استفاده شود. لوکاس پستلر، فیزیکدان تجربی از اینسبروک، توضیح می‌دهد: «برای یک کامپیوتر کوانتومی دنیای واقعی، ما به مجموعه‌ای از دروازه‌ها نیاز داریم که با آن بتوانیم همه الگوریتم‌ها را برنامه‌ریزی کنیم.
عملیات کوانتومی اساسی محقق شد
تیم محققان این مجموعه گیت جهانی را بر روی یک کامپیوتر کوانتومی تله یونی با 16 اتم به دام افتاده پیاده سازی کردند. اطلاعات کوانتومی در دو بیت کوانتومی منطقی که هر کدام در هفت اتم توزیع شده اند، ذخیره شد.
اکنون، برای اولین بار، امکان پیاده‌سازی دو گیت محاسباتی روی این بیت‌های کوانتومی تحمل‌پذیر خطا، که برای مجموعه‌ای از گیت‌ها ضروری هستند، وجود دارد: یک عملیات محاسباتی روی دو بیت کوانتومی (یک گیت CNOT) و یک T منطقی. گیت که پیاده سازی آن بر روی بیت های کوانتومی مقاوم به خطا بسیار دشوار است.
مارکوس مولر، فیزیکدان نظری، توضیح می دهد: “دروازه های T عملیات بسیار اساسی هستند.” “آنها به ویژه جالب هستند زیرا الگوریتم های کوانتومی بدون گیت T را می توان به راحتی در رایانه های کلاسیک شبیه سازی کرد و هر گونه افزایش سرعت احتمالی را نفی کرد. این دیگر برای الگوریتم هایی با گیت T امکان پذیر نیست.” فیزیکدانان T-gate را با تهیه یک حالت خاص در یک بیت کوانتومی منطقی و انتقال آن به بیت کوانتومی دیگر از طریق یک عملیات دروازه درهم‌تنیده نشان دادند.
پیچیدگی افزایش می یابد، اما دقت نیز افزایش می یابد
در بیت های کوانتومی منطقی رمزگذاری شده، اطلاعات کوانتومی ذخیره شده از خطا محافظت می شود. اما این بدون عملیات محاسباتی بی فایده است و این عملیات خود مستعد خطا هستند.
محققان عملیات‌هایی را بر روی کیوبیت‌های منطقی به‌گونه‌ای پیاده‌سازی کرده‌اند که خطاهای ناشی از عملیات فیزیکی زیربنایی را نیز می‌توان شناسایی و تصحیح کرد. بنابراین، آنها اولین پیاده‌سازی متحمل خطا از مجموعه جهانی گیت‌ها را بر روی بیت‌های کوانتومی منطقی کدگذاری شده پیاده‌سازی کرده‌اند.
“پیاده سازی متحمل خطا به عملیات بیشتری نسبت به عملیات غیر تحمل خطا نیاز دارد. این خطاهای بیشتری را در مقیاس تک اتم ها ایجاد می کند، اما با این وجود عملیات آزمایشی روی کیوبیت های منطقی بهتر از عملیات منطقی بدون تحمل خطا هستند.” توماس مونز با خوشحالی گزارش می دهد. “تلاش و پیچیدگی افزایش می یابد، اما کیفیت حاصل بهتر است.” محققان همچنین نتایج تجربی خود را با استفاده از شبیه سازی عددی در رایانه های کلاسیک بررسی و تأیید کردند.
اکنون فیزیکدانان تمام اجزای سازنده محاسبات مقاوم در برابر خطا را در یک کامپیوتر کوانتومی نشان داده اند. اکنون وظیفه پیاده سازی این روش ها بر روی کامپیوترهای کوانتومی بزرگتر و مفیدتر است. روش‌های نشان‌داده‌شده در اینسبروک روی یک کامپیوتر کوانتومی تله یونی نیز می‌تواند در معماری‌های دیگر برای کامپیوترهای کوانتومی استفاده شود.
حمایت مالی برای این تحقیق، از جمله، توسط اتحادیه اروپا در چارچوب ابتکار شاخص کوانتومی و همچنین توسط آژانس ترویج تحقیقات اتریش FFG، صندوق علوم اتریش FWF و فدراسیون صنایع اتریش تیرول ارائه شد.
منبع داستان:
مواد تهیه شده توسط دانشگاه اینسبروک. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.
