ساختن هواپیما در حین پرواز معمولاً برای اکثر افراد هدف نیست، اما برای تیمی از فیزیکدانان به رهبری هاروارد، این ایده کلی ممکن است کلیدی برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ باشد.
در مقاله جدید در طبیعتتیم تحقیقاتی که شامل همکاران QuEra Computing، MIT و دانشگاه اینسبروک است، رویکرد جدیدی را برای پردازش اطلاعات کوانتومی ایجاد کرد که به آنها اجازه می‌دهد به صورت پویا چینش اتم‌ها را در سیستم خود با حرکت و اتصال آنها به یکدیگر تغییر دهند. در میانه محاسبات
این توانایی به هم زدن کیوبیت ها (ساختمان های اساسی کامپیوترهای کوانتومی و منبع قدرت پردازش عظیم آنها) در طول فرآیند محاسباتی در حالی که حالت کوانتومی آنها حفظ می شود، به طور چشمگیری قابلیت های پردازش را گسترش می دهد و امکان تصحیح خود خطاها را فراهم می کند. رفع این مانع، گامی بزرگ به سوی ساخت ماشین‌هایی در مقیاس بزرگ است که از ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی استفاده می‌کنند و نوید می‌دهند که پیشرفت‌هایی در دنیای واقعی در علم مواد، فناوری‌های ارتباطی، مالی و بسیاری از زمینه‌های دیگر ایجاد کنند.
میخائیل لوکین، استاد فیزیک جورج واسمر لورت، یکی از مدیران ابتکار کوانتومی هاروارد، و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، می‌گوید: «دلیل اینکه ساخت رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ سخت است، این است که در نهایت دچار خطا می‌شوید». یکی از راه‌های کاهش این خطاها این است که کیوبیت‌های خود را بهتر و بهتر کنید، اما روش دیگر سیستماتیک‌تر و در نهایت عملی‌تر انجام کاری است که به آن تصحیح خطای کوانتومی می‌گویند. خطاها در طول فرآیند محاسبات شما با افزونگی.”
در محاسبات کلاسیک، تصحیح خطا با کپی کردن اطلاعات از یک رقم باینری یا بیت انجام می‌شود تا مشخص شود چه زمانی و کجا شکست خورده است. به عنوان مثال، یک بیت از 0 را می توان سه بار کپی کرد تا 000 را بخواند. ناگهان، وقتی 001 را می خواند، مشخص می شود که خطا کجاست و می توان آن را اصلاح کرد. محدودیت اساسی مکانیک کوانتومی این است که اطلاعات را نمی توان کپی کرد و تصحیح خطا را دشوار می کند.
راه‌حلی که محققان پیاده‌سازی می‌کنند نوعی سیستم پشتیبان برای اتم‌ها و اطلاعات آنها به نام کد تصحیح خطای کوانتومی ایجاد می‌کند. محققان از تکنیک جدید خود برای ایجاد بسیاری از این کدهای تصحیح، از جمله آنچه به عنوان کد توریک شناخته می شود، استفاده می کنند و آنها را در سراسر سیستم پخش می کنند.
دولو گفت: «ایده کلیدی این است که ما می‌خواهیم یک کیوبیت اطلاعات را برداریم و آن را تا حد امکان به صورت غیرمحلی در بسیاری از کیوبیت‌ها پخش کنیم، به طوری که اگر هر یک از این کیوبیت‌ها از کار بیفتد، در واقع بر کل وضعیت آنقدر تأثیر نمی‌گذارد». Bluvstein، یک دانشجوی فارغ التحصیل در بخش فیزیک از گروه Lukin که رهبری این کار را بر عهده داشت.
چیزی که این رویکرد را ممکن می‌سازد این است که تیم روش جدیدی را توسعه داده است که در آن هر کیوبیت می‌تواند به هر کیوبیت دیگری در صورت تقاضا متصل شود. این امر از طریق درهم تنیدگی یا آنچه انیشتین آن را “عمل شبح وار از راه دور” می نامد اتفاق می افتد. در این زمینه، دو اتم به هم متصل می شوند و می توانند اطلاعات را بدون توجه به اینکه چقدر از هم دور باشند، مبادله کنند. این پدیده همان چیزی است که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار قدرتمند می کند.
بلووستین گفت: «این درهم تنیدگی می تواند حجم زیادی از اطلاعات را ذخیره و پردازش کند.
این کار جدید بر اساس شبیه‌ساز کوانتومی قابل برنامه‌ریزی است که آزمایشگاه از سال 2017 در حال توسعه است. محققان قابلیت‌های جدیدی را به آن اضافه کردند تا به آنها اجازه دهد اتم‌های درهم تنیده را بدون از دست دادن حالت کوانتومی خود و در حین کار، حرکت دهند.
تحقیقات قبلی در سیستم‌های کوانتومی نشان داد که وقتی فرآیند محاسبات شروع می‌شود، اتم‌ها یا کیوبیت‌ها در موقعیت‌های خود گیر می‌کنند و فقط با کیوبیت‌های نزدیک تعامل می‌کنند و انواع محاسبات و شبیه‌سازی‌های کوانتومی را که می‌توان بین آنها انجام داد محدود می‌کند.
نکته کلیدی این است که محققان می توانند اطلاعاتی را در مواردی که به عنوان کیوبیت های فوق ریز شناخته می شوند ایجاد و ذخیره کنند. حالت کوانتومی این کیوبیت های قوی تر به طور قابل توجهی بیشتر از کیوبیت های معمولی در سیستم آنها دوام می آورد (چند ثانیه در مقابل میکروثانیه). این به آنها زمان لازم را می‌دهد تا آنها را با کیوبیت‌های دیگر، حتی با کیوبیت‌های دور، درهم ببندند تا بتوانند حالت‌های پیچیده‌ای از اتم‌های درهم‌تنیده ایجاد کنند.
کل فرآیند به این صورت است: محققان یک جفت اولیه کیوبیت ها را انجام می دهند، یک لیزر سراسری را از سیستم خود پالس می کنند تا یک دروازه کوانتومی ایجاد کنند که این جفت ها را در هم می پیچد، و سپس اطلاعات این جفت را در کیوبیت های فوق ریز ذخیره می کنند. سپس، با استفاده از یک آرایه دوبعدی از پرتوهای لیزر متمرکز جداگانه به نام انبرک نوری، این کیوبیت‌ها را به جفت‌های جدیدی با اتم‌های دیگر در سیستم منتقل می‌کنند تا آنها را نیز در هم ببندند. آنها مراحل را در هر الگوی که می خواهند تکرار می کنند تا انواع مختلف مدارهای کوانتومی را برای اجرای الگوریتم های مختلف ایجاد کنند. در نهایت، همه اتم ها در یک حالت به اصطلاح خوشه ای به هم متصل می شوند و به اندازه کافی پخش می شوند تا در صورت بروز خطا بتوانند به عنوان پشتیبان برای یکدیگر عمل کنند.
در حال حاضر، Bluvstein و همکارانش از این معماری برای تولید یک کامپیوتر کوانتومی قابل برنامه ریزی و تصحیح کننده خطا استفاده کرده اند که با 24 کیوبیت کار می کند و در حال برنامه ریزی برای افزایش مقیاس هستند. این سیستم مبنایی برای دیدگاه آنها از یک پردازنده کوانتومی شده است.
لوکین گفت: «در کوتاه مدت، اساساً می‌توانیم از این روش جدید به عنوان نوعی جعبه شنی استفاده کنیم که در آن واقعاً شروع به توسعه روش‌های عملی برای تصحیح خطا و کاوش الگوریتم‌های کوانتومی خواهیم کرد.» “همین الان [in terms of getting to large-scale, useful quantum computers]من می‌توانم بگویم آنقدر از کوه بالا رفته‌ایم که ببینیم قله کجاست و اکنون می‌توانیم مسیری را از جایی که هستیم به بالاترین قله ببینیم.»
