شرکت دی-ویو (D-Wave) در نشریه نیچر، گیت کوبیت دوگانه با دقت ۹۹٫۹٪ را نمایش داد؛ پیشرفتی در محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا

دشوارترین مسئله در محاسبات کوانتومی، ساخت کوبیت‌های بیشتر نیست؛ بلکه جلوگیری از خطاهای خاموش کوبیت‌های موجود است. دهه‌هاست که این صنعت با این واقعیت دست و پنجه نرم می‌کند که حالت‌های کوانتومی به طرز باورنکردنی شکننده هستند و برای شناسایی و تصحیح خطاها قبل از اینکه یک محاسبه را خراب کنند، به سربار عظیمی نیاز دارند. اکنون، شرکت دی-ویو کوانتوم (D-Wave Quantum) مقاله‌ای را که توسط کارشناسان بازبینی شده، در مجله «نیچر» (Nature) منتشر کرده است که رویکردی در سطح سخت‌افزار را نشان می‌دهد که می‌تواند اساساً این محاسبات را تغییر دهد.[1][2]

این مقاله با عنوان «یک گیت درهم‌تنیده برای کوبیت‌های حذف ریل دوگانه»، یک گیت دو کوبیتی را شرح می‌دهد که با زمان عملیاتی تقریباً ۵۰۰ نانوثانیه، به دقت حدود ۹۹٫۹٪ می‌رسد. مهم‌تر از آن، این معماری طوری طراحی شده است که خطاهای خود را در حین وقوع علامت‌گذاری کند و رایج‌ترین اشتباهات کوانتومی را به «حذف‌های» بسیار قابل مشاهده تبدیل کند، نه «برگردان‌های بیتی» خاموش.[1]

برای درک این پیشرفت، لازم است آنچه را که دی-ویو واقعاً ارائه کرده است از آنچه مواد بازاریابی آن تبلیغ می‌کنند، جدا کنیم. بیانیه‌های مطبوعاتی این شرکت به شدت آینده‌ای را ترویج می‌کنند که در آن کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا، مسائل عظیم هوش مصنوعی و شیمی را حل می‌کنند. با این حال، سخت‌افزار فیزیکی که در این مقاله نیچر نشان داده شده، بسیار کوچک‌تر است: دقیقاً دو کوبیت فیزیکی که از طریق یک گیت درهم‌تنیده واحد با هم تعامل دارند.[2][3]

اهمیت این موضوع در خود معماری نهفته است، که دی-ویو آن را از طریق خرید ۵۵۰ میلیون دلاری شرکت «کوانتوم سرکیتز اینک.» (Quantum Circuits Inc.)، که یک شرکت نوپا از دانشگاه ییل بود، در ژانویه ۲۰۲۶ به دست آورد. کوبیت‌های ابررسانای استاندارد، مانند آنهایی که توسط آی‌بی‌ام (IBM) و گوگل (Google) استفاده می‌شوند، معمولاً اطلاعات را در یک حفره مایکروویو واحد رمزگذاری می‌کنند. هنگامی که یک فوتون به ناچار از آن حفره نشت می‌کند، سیستم دچار یک خطای خاموش می‌شود که می‌تواند در کل محاسبات گسترش یابد.[2][3]

معماری ریل دوگانه دی-ویو رویکرد متفاوتی را در پیش می‌گیرد. این معماری یک کوبیت اطلاعات را در دو حفره مایکروویو ابررسانای جداگانه رمزگذاری می‌کند که یک فوتون واحد را به اشتراک می‌گذارند. اگر فوتون در حفره سمت چپ باشد، حالت ۰ است؛ اگر در حفره سمت راست باشد، حالت ۱ است.[4]

از آنجایی که سیستم می‌داند همیشه باید دقیقاً یک فوتون بین دو حفره وجود داشته باشد، نشت فوتون بلافاصله آشکار می‌شود. سخت‌افزار فوتون گمشده را شناسایی کرده و این رویداد را به عنوان «خطای حذف» در یک مکان-زمان مشخص علامت‌گذاری می‌کند. این شبیه دریافت نامه‌ای است که در آن کلمه‌ای به وضوح خط خورده است، نه نامه‌ای که در آن کلمه‌ای مخفیانه تغییر کرده تا معنای دیگری بدهد.[2][4]

مقاله نیچر نشان می‌دهد که این خاصیت خودتشخیص‌دهندگی در فرآیند پیچیده درهم‌تنیدگی نیز حفظ می‌شود. محققان یک گیت فاز کنترل‌شده «سواپ-صبر-سواپ» (SWS) را بین دو کوبیت ریل دوگانه اجرا کردند. در طول عملیات ۵۰۰ نانوثانیه‌ای، این گیت به نرخ حذف تقریباً ۰٫۵٪ دست یافت، در حالی که خطاهای فاجعه‌بار و خاموش برگردان بیتی را تا یک در میلیون (سطح ۱۰⁻۶) سرکوب کرد.[1][3][4]

با تبدیل خطاهای خاموش به خطاهای آشکار، سیستم دقیقاً به سخت‌افزار کنترل کلاسیک می‌گوید که اشتباه کجا رخ داده است و فرآیند رمزگشایی کلاسیک را به شدت ساده می‌کند. دی-ویو ادعا می‌کند که این سلسله مراتب خطای مطلوب می‌تواند نرخ خطای منطقی را به ازای هر افزایش در فاصله کد تصحیح خطا، تا ضریب ۱۰ کاهش دهد – معیاری که در صنعت به عنوان «لامبدا (Λ) ۱۰» شناخته می‌شود.[2][4]

در اینجا، نگاهی شکاکانه لازم است: این لامبدای ۱۰ از شبیه‌سازی‌های عددی کد سطحی با استفاده از پارامترهای تجربی گیت دو کوبیتی به دست آمده است، نه از یک نمایش فیزیکی کد سطحی چند کوبیتی. اگرچه محاسبات درست و توسط کارشناسان بازبینی شده است، اما اثبات تجربی این لامبدا بر روی یک تراشه فیزیکی مقیاس‌یافته، همچنان یک نقطه عطف آینده است.[2][3]

اگر مقیاس‌بندی شبیه‌سازی‌شده در سخت‌افزار فیزیکی نیز صادق باشد، پیامدهای آن برای صنعت عمیق خواهد بود. در حال حاضر، معماری‌های استاندارد ترانسمون (transmon) به هزاران کوبیت فیزیکی نیاز دارند تا از طریق تصحیح خطای «نیروی بی‌رحمانه»، یک کوبیت «منطقی» واحد و قابل اعتماد ایجاد کنند. رویکرد ریل دوگانه دی-ویو می‌تواند این سربار کوبیت فیزیکی را کاهش دهد و ساخت سیستم‌های مقاوم در برابر خطا را ارزان‌تر و آسان‌تر کند.[4][5]

این انتشار همچنین یک نقطه عطف حیاتی برای اعتبار دی-ویو است. برای دو دهه، این شرکت تقریباً منحصراً به خاطر «آنیلینگ کوانتومی» (quantum annealing) شناخته می‌شد – نوعی تخصصی از محاسبات کوانتومی که در مسائل بهینه‌سازی عالی است اما نمی‌تواند الگوریتم‌های عمومی مانند الگوریتم شور را اجرا کند. دی-ویو با انتشار یک نتیجه بسیار رقابتی در مدل گیت در مجله نیچر، ثابت کرده است که می‌تواند در مرز محاسبات کوانتومی جهانی عمل کند.[3][6]

نقشه راه این شرکت اکنون خواستار یک سیستم ۱۷ کوبیت فیزیکی در سال ۲۰۲۶، مقیاس‌بندی به ۴۹ کوبیت در سال ۲۰۲۷، و دستیابی به یک سیستم ۱۰۰ کوبیت منطقی با قابلیت بیش از یک میلیون عملیات تا سال ۲۰۳۲ است. فرض فنی کوبیت ریل دوگانه اکنون تأیید شده است؛ چالش بعدی، کار مهندسی طاقت‌فرسای ادغام ده‌ها مورد از این حفره‌های پیچیده بر روی یک پردازنده واحد بدون کاهش دقت بی‌نقص ۹۹٫۹٪ آنها است.[2][4]