اولین رایانه کوانتومی تجاری مقاوم در برابر خطا که مجهز به کیوبیت‌های منطقی است، احتمالا پیش از پایان سال جاری میلادی کار خواهد کرد.
کیوبیت‌های منطقی، بیت‌های کوانتومی فیزیکی یا کیوبیت‌هایی هستند که از طریق درهم‌تنیدگی کوانتومی به هم متصل می‌شوند. آن‌ها با ذخیره کردن داده‌های مشابه در مکان‌های متفاوت، میزان خطا را در رایانه‌های کوانتومی کاهش می‌دهند. این امر باعث ایجاد تنوع در نقاط شکست هنگام اجرای محاسبات می‌شود.
نمایندگان استارت‌آپ «کوئرا» (QuEra) در ماساچوست که این رایانه کوانتومی را می‌سازد، در بیانیه‌ای اعلام کردند دستگاه جدید دارای ۲۵۶ کیوبیت فیزیکی و ۱۰ کیوبیت منطقی است و در اواخر سال ۲۰۲۴ عرضه می‌شود.
این بیانیه به دنبال پژوهش جدیدی منتشر شد که در ششم دسامبر ۲۰۲۳ در مجله «نیچر» (Nature) به چاپ رسید و در آن، پژوهشگران «دانشگاه هاروارد»، استارت‌آپ کوئرا و چندین مؤسسه دیگر، یک رایانه کوانتومی کارآمد را معرفی کردند. رایانه کوانتومی معرفی‌شده حاوی ۴۸ کیوبیت منطقی بود که بیشترین تعداد کیوبیت‌های منطقی آزمایش شده تا به امروز است.
«هری ژو» (Harry Zhou) فیزیکدان استارت‌آپ کوئرا و دانشگاه هاروارد گفت: این اولین دستگاه با قابلیت تصحیح خطای کوانتومی است. اگرچه این رایانه به تنهایی قدرت کافی را برای سودمند بودن ندارد، اما پلتفرمی را فراهم می‌کند که برنامه‌نویسان نرم‌افزار به کمک آن می‌توانند آزمایش کردن رمز را برای رایانه‌های کوانتومی آینده آغاز کنند.
عکس بزرگنمایی‌شده از سلول شیشه‌ای مورد استفاده در آزمایش دانشگاه هاروارد که اتم‌ها در آن به دام افتاده‌اند و برای اجرای الگوریتم‌های منطقی پیچیده تنظیم می‌شوند
تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی
در حالی که رایانه‌های معمولی اطلاعات را در بیت‌هایی با مقدار صفر یا یک ذخیره می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کنند که به لطف قوانین مکانیک کوانتومی، برهم‌نهی بین صفر و یک را شامل می‌شوند.
همچنین، کیوبیت‌ها می‌توانند با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی به هم متصل شوند تا به طور همزمان در چندین حالت وجود داشته باشند. این کار به آن‌ها امکان می‌دهد تا بسیاری از محاسبات را بسیار سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک انجام دهند. با وجود این، کیوبیت‌ها به راحتی می‌توانند مختل شوند و این امر باعث می‌شود که آن‌ها به شدت مستعد خطا باشند. تقریبا در هر ۱۰۰۰ بیت، یکی از آن‌ها خراب می‌شود. این مقدار در رایانه‌های معمولی، یک در یک میلیارد بیت است.
اگر رایانه‌های کوانتومی میلیون‌ها کیوبیت را در خود جای دهند، می‌توانند از بهترین ابررایانه‌ها پیشی بگیرند، اما بزرگترین رایانه کوانتومی که تاکنون ساخته شده است، تنها حدود ۱۰۰۰ کیوبیت دارد و میزان شکست بالای کیوبیت‌ها، افزایش بالقوه را محدود می‌کند. تصحیح خطا می‌تواند تمایل کیوبیت‌ها را به شکست خنثی کند و ساخت کیوبیت‌های منطقی یکی از راه‌های تحقق یافتن آن است.
کیوبیت‌های منطقی
به گفته ژو، سیستم جدید تصحیح خطا بر افزونگی داده‌ها تکیه دارد که طی آن، یک قطعه داده در چندین مکان ذخیره می‌شود. کیوبیت‌های منطقی، محاسبات یکسانی را در چندین کیوبیت فیزیکی انجام می‌دهند. در صورت شکست یک یا چند کیوبیت فیزیکی، آن‌ها میزان خطا را به شدت کاهش می‌دهند، زیرا داده‌ها در جای دیگری در دسترس هستند و بدین ترتیب، محاسبات می‌توانند ادامه پیدا کنند.
پژوهشگران برای ساخت کیوبیت منطقی، رمز‌های رایانه‌ای تصحیح‌کننده خطا را روی کیوبیت‌های معمولی اعمال کردند. آن‌ها در مرحله بعد، دروازه‌ها یا مدار‌های منطقی را بین کیوبیت‌ها تنظیم می‌کنند تا آن‌ها به هم متصل شوند. سپس رایانه کوانتومی، به بررسی این موضوع می‌پردازد که آیا احتمالا خطا رخ داده است یا خیر. رایانه کوانتومی با استفاده از این اطلاعات، خطا‌ها را تصحیح می‌کند و به مرحله بعد می‌رود.
کیوبیت‌های جدید نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی نسبت به تلاش‌های گذشته هستند. در سال ۲۰۲۳، «آزمایشگاه هوش مصنوعی کوانتومی گوگل» با استفاده از سه کیوبیت منطقی، میزان خطای ۲.۹ درصدی را نشان داد. میزان خطای رایانه کوانتومی استارت‌آپ کوئرا، درصد ۰.۵ با ۴۸ کیوبیت منطقی است. «دانشگاه آکسفورد» یک پیشرو در این زمینه به شمار می‌رود که به میزان خطای کمتر از ۰.۰۱ درصد دست یافته، اما این دستاورد فقط بین دروازه‌های دو کیوبیت بوده است.
سال گذشته، شرکت «آی‌بی‌ام» (IBM) نیز فناوری تصحیح خطا را در تراشه ۱۲۷ کیوبیتی «هرون» (Heron) خود نشان داد که میزان خطا را در مقایسه با سایر تراشه‌های این شرکت تا پنج برابر کاهش می‌دهد، اما انتظار نمی‌رود که اولین دستگاه تجاری مقاوم در برابر خطا تا سال ۲۰۲۹ آماده شود.
کوئرا قصد دارد چندین رایانه کوانتومی را در سال‌های آینده عرضه کند که با عرضه یک دستگاه ۳۰۰۰ کیوبیتی با ۳۰ کیوبیت منطقی در سال ۲۰۲۵ آغاز می‌شود. هیولای آن، رایانه‌ای با بیش از ۱۰ هزار کیوبیت فیزیکی و ۱۰۰ کیوبیت منطقی خواهد بود که عرضه آن برای سال ۲۰۲۶ برنامه‌ریزی شده است. ژو گفت: رایانه ۲۰۲۶ می‌تواند در ۱۰۰ کیوبیت منطقی، محاسبات درستی را انجام دهد که از توانایی ابررایانه‌های امروزی فراتر می‌رود.
منبع: اسپیس