“اسب تاریک” محاسبات کوانتومی به تازگی ثابت کرده است که می تواند جهانی شود

دانشمندان دانشکده مهندسی مولکولی پریتزکر دانشگاه شیکاگو (UChicago PME)، هاروارد، دانشگاه استونی بروک و کوانتینیوم مجموعه کاملی از عملیات را بر اساس آنیون های غیر آبلی ایجاد و آزمایش کرده اند. نتایج آنها اولین اثبات تجربی را ارائه می دهد که این رویکرد می تواند طیف گسترده ای از عملیات مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی جهانی را پشتیبانی کند.

روبن ورسن، استادیار مهندسی مولکولی در UChicago PME و یکی از نویسندگان این مطالعه جدید که در نشریه منتشر شده است، می‌گوید: «ما آنچه را که مجموعه دروازه‌های جهانی نامیده می‌شود نشان داده‌ایم – به این معنی که اگر اطلاعاتی را در این نسخه‌های نوظهور کوارک‌ها ذخیره کنید و آنها را به اطراف حرکت دهید، می‌توانید هر محاسبات کوانتومی را که می‌خواهید انجام دهید. طبیعت.

یک میانبر ممکن در مورد تصحیح خطای کوانتومی گران قیمت

این استراتژی می تواند بیشتر از کمک به ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی همه منظوره انجام دهد. همچنین ممکن است مسیر کارآمدتری برای ماشین های کوانتومی قابل اعتماد ارائه دهد.

رایانه‌های کوانتومی به شدت در برابر خطاها آسیب‌پذیر هستند، بنابراین محققان معمولاً اطلاعات را با پخش آن در بسیاری از کیوبیت‌های فیزیکی محافظت می‌کنند. این روش‌های تصحیح خطا می‌توانند داده‌ها را حفظ کنند، اما معمولاً تمام عملیات لازم برای انجام یک محاسبات کوانتومی جهانی بر روی این اطلاعات محافظت شده را ارائه نمی‌دهند.

برای پر کردن این شکاف، مهندسان اغلب به منابع ساخته شده ویژه به نام “حالت های جادویی” تکیه می کنند. تولید آنها معمولاً نیازمند یک فرآیند خالص سازی فشرده است که به عنوان تقطیر شناخته می شود، که می تواند بخش بزرگی از کیوبیت های موجود رایانه کوانتومی را مصرف کند. نتایج جدید نشان می دهد که آنیون های غیر آبلی ممکن است راهی برای دور زدن این مرحله گران ارائه دهند.

هنریک درایر، مدیر عامل و رهبر علمی دفتر Quantinuum در مونیخ و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «کدهای غیر آبلی یک اسب تیره در مسابقه تصحیح خطای کوانتومی هستند. “در این کار، ما اولین دروازه جهانی را در یک کد غیر آبلی نشان می‌دهیم که نشان می‌دهد محاسبات تحمل‌پذیر خطا را می‌توان بدون استفاده از تقطیر یا کشت حالت جادویی انجام داد، که گران‌ترین عملیات در کدهای استاندارد تصحیح خطای کوانتومی هستند.”

چرا آنیون های غیر آبلی متفاوت هستند؟

کیوبیت های معمولی اطلاعات را با استفاده از دو حالت پایه به همراه ترکیب کوانتومی آن حالت ها رمزگذاری می کنند. آنیون های غیر آبلی به روشی اساسی کار می کنند.

این انیون ها به صورت ذرات منفرد معمولی در طبیعت ظاهر نمی شوند. درعوض، دانشمندان آنها را در داخل مدارهای کوانتومی با درهم‌تنیدگی بسیاری از کیوبیت‌های معمولی در یک حالت جمعی ایجاد می‌کنند که گویی نوع جدیدی از ذرات با قوانین غیرعادی خود است.

ورسن می گوید: «شیوه ای که من در مورد این کدها فکر می کنم این است که آنها جهان های کوچکی را ایجاد می کنند – جهان های متناوب، اما جهان هایی که منعکس کننده برخی از ویژگی های خود ما هستند.

هر آنیون غیر آبلی دارای یک حالت داخلی است که با حرکت یک آنیون در اطراف دیگری در فرآیندی به نام درهم تنیدگی تغییر می کند. توالی این عملیات کانولوشنی مهم است (یعنی غیر آبلی)، که اجازه می دهد اطلاعات به روش هایی که در دسترس ذرات معمولی نیست، رمزگذاری و دستکاری شوند.

از آنجایی که اطلاعات در بسیاری از کیوبیت‌های درهم‌تنیده پخش می‌شود، نه اینکه در یک مکان ذخیره شوند، می‌توانند به طور طبیعی در برابر برخی از اختلالات کوچک که اغلب کیوبیت‌های معمولی را مختل می‌کنند محافظت شود. اتصال آنیون می تواند عملیات محاسباتی را نیز انجام دهد.

چرا فقط قیطاندن کافی نبود؟

در سال 2024، یک تیم تحقیقاتی از جمله Verresen از رایانه یونی به دام افتاده کوانتینیوم برای ایجاد آنیون‌های مرتبط با یک گروه تقارن به نام D4 – چرخش‌ها و بازتاب‌هایی که مربع را بدون تغییر می‌گذارند – استفاده کردند که برای اولین بار این شکل از نظم غیرآبلی را روی سخت‌افزار کوانتومی نشان داد.

این آزمایش نشان داد که ذرات غیرمعمول را می توان ایجاد و دستکاری کرد، اما درهم تنیدگی آنها به تنهایی برای انجام هر عملیات لازم برای محاسبات کوانتومی جهانی کافی نیست.

Veresen گفت: “در این کار، ما نشان ندادیم که این نیروهای نوظهور برای انجام یک محاسبات کوانتومی کافی هستند.” “این جهان خاصی که ما ایجاد کردیم به اندازه کافی قدرتمند نبود.”

فیوژن عملیات کوانتومی جهانی را باز می کند

برای مطالعه جدید، محققان به تقارن دیگری به نام S3 – چرخش‌های تصویر آینه‌ای و چرخش‌هایی که مثلث متساوی الاضلاع را بدون تغییر باقی می‌گذارند- روی آوردند و با استفاده از 54 کیوبیت درهم تنیده، آنیون‌های مربوطه را روی پردازنده به دام افتاده یون H2 Quantinuum ایجاد کردند.

سیستم S3 دارای خواص مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی جهانی بود، اما تنها زمانی که درهم تنیدگی با عملیات دیگری به نام فیوژن ترکیب شد. در طول سنتز، دو آنیون جمع آوری شده و حالت حاصل اندازه گیری می شود.

مفهوم اصلی به صورت تئوری در سال 2003 توسط کارلوس موچون، که در آن زمان شاگرد جان پرسکیل در Caltech بود، پیشنهاد شد. با این حال، تبدیل این ایده نظری به آزمایشی که در واقع می‌تواند بر روی سخت‌افزار کوانتومی اجرا شود، نیازمند کار تئوری و تجربی گسترده‌ای است.

محققان از جفت های آنیون برای رمزگذاری “کوتریت های توپولوژیکی” استفاده کردند که سه سطح ممکن از اطلاعات کوانتومی را به جای دو سطح مورد استفاده کیوبیت های معمولی ذخیره می کند.

با ترکیب عملیات های مختلف درهم تنیدگی و همجوشی، تیم سه ابزار کلیدی را نشان داد: یک دروازه درهم تنیدگی که توسط درهم تنیدگی تولید می شود و دو اندازه گیری مختلف که توسط همجوشی ایجاد می شود. با هم، این عملیات در اصل می توانند هر عملیات کوانتومی را ایجاد کنند، از جمله عملیاتی که درهم تنیدگی به تنهایی نمی تواند به آن دست یابد.

این حالت‌های کوانتومی غیرمعمول علاوه بر کاربردهای محاسباتی احتمالی‌شان، می‌توانند به محققان در بررسی جنبه‌های اساسی فیزیک نیز کمک کنند.

Anasuya Lyons و Chiu Fan Bowen Lo، دانشجویان دانشگاه هاروارد در گروه آشوین ویشوانات، که به رهبری کار کمک کردند، می‌گویند: «خوش‌حال است که می‌بینیم ایده‌هایی که در کار دکترا به آن‌ها فکر می‌کردیم، در آزمایشگاه تحقق یافتند و با پیشرفت‌های چشمگیر سخت‌افزار کوانتومی در چند سال گذشته امکان‌پذیر شد.

به سمت کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا

محققان همچنین نشان دادند که آنیون‌های غیرآبلی می‌توانند مستقیماً با استفاده از عملیات توپولوژیکی یک حالت جادویی ایجاد کنند – با دور زدن فرآیند تقطیر گران‌قیمت که در اکثر سیستم‌های کوانتومی استفاده می‌شود.

آزمایش هنوز شامل تصحیح خطای فعال نیست. در عوض، محققان بر روی آزمایش تک تک واحدهای سازنده روش و تأیید اینکه آنها می توانند حالتی جادویی مطابق با انتظارات نظری ایجاد کنند، تمرکز کردند.

Veresen گفت: “تا به حال، ما موضوع تصحیح خطا را نادیده گرفته ایم. در اینجا این بیشتر شبیه یک اثبات اصل است.”

گام مهم بعدی ترکیب این عملیات با تصحیح خطای فعال خواهد بود. اگر بتوان به این امر دست یافت، آنیون‌های غیرآبلی در نهایت می‌توانند به پایه‌ای عملی برای کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا در مقیاس بزرگ تبدیل شوند. Verresen در حال حاضر با سایر محققان PME روی تکنیک‌های جدیدی برای تثبیت حافظه‌های کوانتومی غیرآبلی کار می‌کند.