نمایش رمزگشای خطای کوانتومی بی‌درنگ روی یک پردازنده معمولی توسط IonQ

مهندسان سخت‌افزار مدت‌هاست هشدار می‌دهند که مقیاس‌پذیری کامپیوترهای کوانتومی نیازمند ساخت خوشه‌های عظیم و تخصصی از کامپیوترهای کلاسیک است، آن هم فقط برای اینکه بتوانند پابه‌پای خطاهای تولیدشده توسط تراشه‌های کوانتومی پیش بروند. پیش‌فرض رایج این بود که محاسبات کوانتومیِ تحمل‌پذیر در برابر خطا، برای رمزگشایی بی‌درنگ خطاها به آرایه‌های گیت برنامه‌پذیر میدانی (FPGA) یا مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) نیاز دارد؛ موضوعی که خود به یک گلوگاه شدید در هزینه و تأخیر تبدیل می‌شد. روز چهارشنبه، شرکت IonQ شواهدی ارائه کرد که این الزام را نقض می‌کند؛ آن‌ها یک رمزگشای خطای کوانتومی بی‌درنگ و سرتاسری را به نمایش گذاشتند که کاملاً روی یک واحد پردازش مرکزی (CPU) استاندارد اجرا می‌شود.[1][2]

در این نمایش، ۳۱.۵ میلیون عملیات پردازش شد و خطاهای شبیه‌سازی‌شده‌ی حالت کوانتومی، بدون اتکا به شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری تخصصی که پیش‌تر در صنعت ضروری پنداشته می‌شدند، با موفقیت شناسایی و تصحیح شدند. این شرکت ادعا می‌کند که با انتقال بار کاری رمزگشایی به معماری پردازنده‌های معمولیِ موجود در بازار، یکی از محدودیت‌های فیزیکی اصلی که مانع از رسیدن سیستم‌های کوانتومی به مقیاس تجاری می‌شود را از میان برداشته است.[1][5][6]

پیتر چپمن، مدیرعامل IonQ، در بیانیه مطبوعاتی این شرکت این دستاورد را «یک نقطه عطف حیاتی برای صنعت محاسبات کوانتومی» خواند و گفت: «ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم بدون نیاز به زیرساخت‌های محاسباتی کلاسیکِ پیچیده، پرمصرف و گران‌قیمت، به تصحیح خطای بی‌درنگ دست یابیم.» چپمن همچنین اشاره کرد که رویکرد استفاده از یک CPU واحد، پشته کنترلی مورد نیاز برای اجرای یک ماشین کوانتومیِ تحمل‌پذیر در برابر خطا را به شدت ساده می‌کند.[2][4]

مشکل اساسی که این فناوری به آن می‌پردازد، ناهمدوسی کوانتومی است. کیوبیت‌ها — واحدهای بنیادی اطلاعات کوانتومی — به شدت نسبت به نویز محیطی حساس هستند، به این معنی که حالت خود را به سرعت از دست می‌دهند. برای انجام محاسبات طولانی و پیچیده، یک کامپیوتر کوانتومی باید به طور پیوسته وضعیت «کیوبیت‌های سندرم» را بخواند تا خطاهای موجود در «کیوبیت‌های منطقی» را تشخیص داده و پیش از فروپاشیِ محاسبه، اصلاحات لازم را اعمال کند.[4]

تا پیش از این، حجم عظیم داده‌های تولیدشده توسط این فرآیندِ بررسی مداوم، کامپیوترهای کلاسیکِ مسئول مدیریت آن را در معرض فروپاشی قرار می‌داد. اگر زمانِ تشخیص خطا توسط رمزگشای کلاسیک طولانی‌تر از مدت‌زمان حفظ حالت کیوبیت‌ها باشد، سیستم با شکست مواجه می‌شود. اجماع صنعت بر این بود که تنها تراشه‌های سیلیکونی سفارشی می‌توانند داده‌های سندرم را با سرعتی پردازش کنند که از پردازنده کوانتومی عقب نمانند.[1][3]

رویکرد IonQ با بهینه‌سازیِ خودِ الگوریتم رمزگشایی، نیاز به سیلیکون سفارشی را دور می‌زند و به یک پردازنده استاندارد اجازه می‌دهد تا حلقه تصحیح خطا را در محدودیت‌های زمانی لازم اجرا کند. ۳۱.۵ میلیون عملیات اجرا شده در طول این آزمایش، نشان‌دهنده نرخ پایداری از رمزگشایی خطاست که با سرعت عملیاتی سخت‌افزارهای کوانتومیِ یون به دام‌افتاده‌ی فعلی همخوانی دارد.[1][2][5]

با این حال، نمایش یک قابلیت در یک آزمایش کنترل‌شده، با پیاده‌سازی آن در یک سیستم تجاری تفاوت زیادی دارد. این ۳۱.۵ میلیون عملیات صرفاً به عنوان یک اثبات مفهوم اجرا شدند و اگرچه الگوریتم با موفقیت روی یک CPU واحد اجرا شد، اما IonQ هنوز این رمزگشای خاص را در واحدهای پردازش کوانتومیِ تجاری خود برای مشتریان خارجی ادغام نکرده است. این اطلاعیه بیشتر شبیه به یک نشانگر در نقشه راهِ معماری‌های آینده این شرکت است تا یک ارتقای فوری برای سخت‌افزارهای فعلی آن.[3][4][6]

علاوه بر این، رمزگشای مبتنی بر CPU در برابر نرخ خطاهای معمولِ کیوبیت‌های یون به دام‌افتاده‌ی خودِ IonQ آزمایش شد؛ کیوبیت‌هایی که ذاتاً زمان همدوسی طولانی‌تر و نرخ خطای کمتری نسبت به کیوبیت‌های ابررسانای رقیب (ساخته‌شده توسط شرکت‌هایی مانند IBM و Google) دارند. هنوز این پرسش بی‌پاسخ مانده است که آیا یک CPU واحد می‌تواند از پسِ حجم بالاترِ تصحیح خطای مورد نیاز در معماری‌های ابررسانای سریع‌تر اما پرنویزتر برآید یا خیر.[4][5]

بازارهای مالی به این دستاورد فنی واکنش نشان دادند و آن را تأییدی بر استراتژی مقیاس‌پذیری بلندمدت IonQ دانستند. قابلیت استفاده از سخت‌افزارهای کلاسیک استاندارد و موجود در بازار برای سیستم‌های کنترل کوانتومی، هزینه‌های سرمایه‌ای پیش‌بینی‌شده برای ساخت دیتاسنترهای نسل آینده را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.[3][6]

نقطه عطف قابل‌راستی‌آزماییِ بعدی برای این فناوری، ادغام آن در سیستم‌های آینده IonQ یعنی Forte Enterprise و Tempo خواهد بود که قرار است طی دو سال آینده مستقر شوند. اگر رمزگشای تک‌پردازنده‌ای همان‌طور که شرکت پیش‌بینی می‌کند مقیاس‌پذیر باشد، چالش اصلی محاسبات کوانتومیِ تحمل‌پذیر در برابر خطا را از زیرساخت‌های کلاسیک پشتیبان، دوباره به خودِ تراشه‌های کوانتومی بازمی‌گرداند.[1][2][5]