تصحیح خطا مقیاس‌های کوانتینیوم برای بهبود محاسبات کوانتومی تحمل‌پذیر خطا


آیا نتوانستید در Transform 2022 شرکت کنید؟ اکنون تمام جلسات اجلاس را در کتابخانه درخواستی ما بررسی کنید! اینجا را تماشا کنید.


اگرچه شرکت‌ها و محققان محاسبات کوانتومی در مقیاس‌بندی تعداد کیوبیت‌های فیزیکی پیشرفت کرده‌اند، اما این امر باعث افزایش نرخ خطا نیز می‌شود. نگرانی اصلی در این زمینه این است که افزودن کیوبیت های کافی به یکدیگر برای حل مشکلات مهم نیز ممکن است منجر به نتایج مستعد خطا شود.

محققان Quantinuum گزارش داده‌اند که اخیراً راهی برای اندازه‌گیری تعداد کیوبیت‌ها برای افزایش عملکرد و کاهش نرخ خطا پیدا کرده‌اند. این کار ساده ای نیست زیرا کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک دارای حجم خطاهای بیشتری هستند. علاوه بر این، بسیاری از تکنیک‌های تصحیح خطا که پایه اصلی محاسبات کلاسیک را تشکیل می‌دهند، مانند بررسی برابری، خطاهای جدیدی را در محاسبات کوانتومی معرفی می‌کنند.

کوانتینووم از ادغام کمبریج کوانتوم کامپیوتینگ، یک شرکت پیشرو در زمینه نرم‌افزار کوانتومی، و بخش سخت‌افزار کوانتومی Honeywell شکل گرفت. محاسبات کوانتومی کمبریج در حال توسعه الگوریتم‌های کوانتومی بهتر و راه‌هایی برای ترجمه الگوریتم‌های کامپیوتری کلاسیک برای کار بر روی رایانه‌های کوانتومی بود. در همین حال، هانیول در معماری جدید تله یون محاسباتی کوانتومی پیشگام بود که به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد راحت‌تر از روش‌های دیگر به هم متصل شوند.

کار Honeywell به تیم اجازه داد تا 20 کیوبیت فیزیکی را به دو کیوبیت منطقی قابل اعتمادتر تبدیل کند. اگرچه ممکن است از نظر عددی این یک گام به عقب به نظر برسد، اما یک گام به جلو فوق العاده است زیرا این کیوبیت ها را می توان با هم جمع کرد.

محققان معمولاً از نسل فعلی رایانه‌های کوانتومی به عنوان بخشی از دوره کوانتومی مقیاس متوسط ​​پر سر و صدا (NISQ) یاد می‌کنند. این کار در نهایت راه را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقاوم به خطا که می‌توانند برای رفع مشکلات مهم مقیاس شوند، هموار می‌کند.

پیچش کوانتومی در مورد افزونگی

خطاهای سخت افزاری که در آنها یک ترانزیستور به طور خود به خود سوئیچ می شود در مدارهای نیمه هادی مدرن نادر است، اما در برخی موارد – مانند اجرای یک سیستم حیاتی ایمنی در معرض تشعشع – مهندسان سیستم های تصحیح خطا را طراحی می کنند که سه پردازنده را ترکیب می کند. یک سیستم نظارتی نتایج را مقایسه می کند. اگر خطایی رخ دهد، سیستم نظارتی می‌تواند تشخیص دهد که محاسبه مطابقت ندارد و با خیال راحت می‌تواند آن را نادیده بگیرد.

کامپیوتر کوانتومی می تواند مشکلات جدیدی ایجاد کند. انواع بیشتری از خطاها وجود دارد که باید اصلاح شوند. یک بررسی برابری نسبتا ساده در محاسبات کلاسیک می تواند خطاهای جدیدی در محاسبات کوانتومی ایجاد کند.

کامپیوترهای کوانتومی ممکن است از دو نوع خطا رنج ببرند: تلنگر بیت و چرخش فاز. در خطای bit flip، کیوبیت حالت محاسباتی را به اشتباه از صفر به یک و بالعکس برمیگرداند. در یک خطای تغییر فاز، که در یک کامپیوتر کلاسیک رخ نمی دهد، فاز کیوبیت تغییر می کند. تحقیقات نظری قبلی راهی را برای تصحیح هر دو نوع خطا با ساخت کیوبیت‌های منطقی شناسایی کردند. سال گذشته، کوانتینووم اجرای عملی این تکنیک ها را در یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از یک کد 5 کیوبیتی نشان داد. با این حال، این همچنان با افزایش تعداد کیوبیت ها، خطاها را افزایش داد.

در تکنیک جدید که کد رنگ نامیده می شود، محققان راهی برای ترکیب هفت کیوبیت منطقی در یک کیوبیت منطقی در هماهنگی با 2 تا 3 کیوبیت فرعی که برای کاوش استفاده می شوند، پیدا کردند. آنها این تکنیک کد رنگی جدید را در بالای جدیدترین رایانه کوانتینووم با 20 کیوبیت فیزیکی اجرا کردند تا دو کیوبیت منطقی قابل اعتماد ایجاد کنند. این کیوبیت‌های منطقی جدید می‌توانند به‌طور کارآمدی مقیاس شوند که تحمل خطا را افزایش دهد که با کیوبیت‌های فیزیکی یا حتی رویکرد 5 کیوبیتی عملی نبود.

راسل استاتز، مدیر سخت‌افزار تجاری Quantinuum، به VentureBeat گفت که این بدان معناست که با اضافه کردن کیوبیت‌های بیشتر، احتمال خرابی‌هایی که کل محاسبات را خراب می‌کنند، با افزایش متوسط ​​در تعداد کیوبیت‌های فیزیکی کاهش می‌یابد.

یک چالش باقی مانده، چرخه تصحیح خطای کوانتومی است. عمل ساده بررسی یک کیوبیت برای یافتن خطاها می تواند خطاهای جدیدی را معرفی کند. Stutz گفت کار آینده راه‌هایی را بررسی خواهد کرد تا اطمینان حاصل شود که خطاهای بیشتری نسبت به حذف آنها با کد تصحیح خطا اضافه نمی‌کنند.

اتصال لازم است

محققان به این فکر کرده‌اند که چگونه روش‌های مختلف تصحیح خطای کوانتومی ممکن است کار کنند. اگرچه رویکرد Quantinuum به اندازه سایر روش‌ها کیوبیت‌های فیزیکی خام ارائه نمی‌کند، اما این کیوبیت‌ها کاملاً به هم متصل هستند، که فرصت‌هایی را برای استفاده از این الگوریتم‌های نوآورانه باز می‌کند. در بسیاری از معماری های کوانتومی، هر کیوبیت تنها به چند همسایه متصل است.

استوتز گفت: «ما اکنون در حال آزمایش مفاهیم کد تصحیح خطای کوانتومی هستیم که در اواخر دهه 1990 رویاپردازی شد و می‌توان آن را برای اولین بار در این سیستم‌های واقعی پیاده‌سازی کرد. “این زمان هیجان انگیزی برای یادگیری در مورد تصحیح خطای کوانتومی است.”

استوتز می‌گوید این تحقیق نقطه عطف مهمی در مسیر طولانی محاسبات کوانتومی تحمل‌پذیر خطا است. او احساس می‌کند که وقتی محققان سیستم‌ها را تا 50 کیوبیت منطقی با نرخ خطای کمتر از کیوبیت‌های فیزیکی مقیاس‌بندی کنند، می‌توانند بسیاری از مسائل عملی را حل کنند.

استوتز گفت: «این در حال ایجاد زمینه است. “شما واقعا نمی توانید یک مشکل مرتبط با صنعت را با تعداد کیوبیت های منطقی که در حال حاضر با آنها سروکار داریم حل کنید. ما اساساً در حال ساخت مولفه‌های واقعاً خوبی هستیم که در محاسبات بزرگ‌تر استفاده می‌شوند.»

ادامه مطلب: آی‌بی‌ام از «بدون سرور کوانتومی» استفاده می‌کند و به 4000 کیوبیت بیشتر نگاه می‌کند.

ماموریت VentureBeat این است که یک میدان شهر دیجیتال برای تصمیم گیرندگان فنی باشد تا دانشی در مورد فناوری سازمانی متحول کننده کسب کنند و معامله کنند. کسب اطلاعات بیشتر در مورد عضویت.