پردازنده ۱۰۵ کیوبیتی «ویلو» گوگل اولین اثبات سخت‌افزاری تصحیح خطای کوانتومی مقیاس‌پذیر را به دست آورد

برای دهه‌ها، وعده محاسبات کوانتومی در گرو یک مشکل واحد و آزاردهنده بود: جهان بیش از حد پر سر و صدا است. بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها، قادرند اطلاعات را به روش‌هایی پردازش کنند که رایانه‌های کلاسیک نمی‌توانند، اما به شدت شکننده هستند. یک پرتو کیهانی سرگردان، یک نوسان میکروسکوپی در دما، یا حتی یک پالس الکترومغناطیسی ضعیف می‌تواند باعث شود کیوبیت حالت کوانتومی خود را از دست بدهد؛ پدیده‌ای که به عنوان «واهمدوسی» (Decoherence) شناخته می‌شود.[1]

برای انجام هرگونه محاسبه مفید تجاری – مانند شبیه‌سازی مولکول‌های پیچیده برای کشف دارو یا بهینه‌سازی شبکه‌های لجستیک جهانی – یک رایانه کوانتومی باید میلیاردها عملیات را به صورت متوالی اجرا کند. با این حال، تا همین اواخر، حتی پیشرفته‌ترین کیوبیت‌های فیزیکی نیز پس از تنها چند صد مرحله تسلیم خطاها می‌شدند و محاسبات را مدت‌ها قبل از رسیدن به پاسخ از بین می‌بردند.[2]

فیزیکدانان نظری مدت‌هاست که راه‌حل را می‌دانند: تصحیح خطای کوانتومی (QEC). از آنجا که قوانین بنیادی مکانیک کوانتومی کپی یا شبیه‌سازی مستقیم حالت یک کیوبیت را ممنوع می‌کند، مهندسان نمی‌توانند به سادگی مانند رایانه‌های کلاسیک از داده‌ها نسخه پشتیبان تهیه کنند. در عوض، QEC اطلاعات یک «کیوبیت منطقی» (logical qubit) واحد و بسیار پایدار را در میان بافتی از چندین «کیوبیت فیزیکی» (physical qubits) شکننده توزیع می‌کند.[1][4]

اما برای نزدیک به سی سال، این نظریه زیبا با یک پارادوکس مهندسی بی‌رحمانه مواجه شد. سربار مورد نیاز برای نظارت و تصحیح خطاها آنقدر پیچیده بود که افزودن کیوبیت‌های فیزیکی بیشتر به سیستم، در واقع نویز بیشتری نسبت به آنچه رفع می‌کرد، ایجاد می‌نمود. سخت‌افزار به سادگی به اندازه کافی قابل اعتماد نبود تا از آنچه فیزیکدانان آن را «آستانه تحمل خطا» می‌نامند، عبور کند.

آن دوران انتظار نظری با معرفی پردازنده ابررسانای ۱۰۵ کیوبیتی گوگل به نام «ویلو» به پایان رسید. ویلو در یک دستاورد برجسته که محاسبات کوانتومی را از یک آزمایش فیزیکی به یک خط لوله مهندسی تبدیل می‌کند، اولین اثبات سخت‌افزاری قطعی را ارائه داد که تصحیح خطای کوانتومی مقیاس‌پذیر واقعاً کار می‌کند.[2][5]

تراشه ویلو بر روی یک شبکه دوبعدی از کیوبیت‌های ترانسمون ابررسانا ساخته شده است و از یک معماری تصحیح خطای خاص به نام «کد سطحی» (surface code) استفاده می‌کند. تیم گوگل با مهندسی دقیق چیدمان فیزیکی و بهبود میانگین طول عمر کیوبیت‌ها به تقریباً ۶۸ میکروثانیه، محیطی را ایجاد کرد که در آن تصحیح خطا سرانجام توانست از تولید خطا پیشی بگیرد.[1]

اثبات قطعی زمانی به دست آمد که محققان کد سطحی را در مقیاس‌های فزاینده آزمایش کردند. آنها با رمزگذاری یک کیوبیت منطقی در یک شبکه ۳x۳ از کیوبیت‌های فیزیکی شروع کردند، سپس آن را به یک شبکه ۵x۵ و در نهایت به یک شبکه ۷x۷ گسترش دادند تا مشاهده کنند نرخ خطا چگونه به افزایش پیچیدگی پاسخ می‌دهد.[2]

از نظر تاریخی، گسترش شبکه باعث می‌شد سیستم تحت نویز خود فرو بپاشد. اما در ویلو، دقیقاً عکس این اتفاق افتاد. با هر گام افزایش اندازه، نرخ خطای منطقی به میزان ۲.۱۴ برابر کاهش یافت. این سیستم به سرکوب نمایی خطاها دست یافت که نتیجه آن یک کیوبیت منطقی بود که بیش از دو برابر طولانی‌تر از بهترین جزء فیزیکی زیربنایی خود عمر کرد.[1][4]

دستیابی به این نقطه عطف «زیر آستانه» تنها نیمه اول نبرد بود. چالش دوم، حفظ پایداری سیستم در طول زمان است. پردازنده‌های کوانتومی در معرض رانش محیطی ثابت هستند؛ کالیبراسیون میکروسکوپی سخت‌افزار به طور مداوم تخریب می‌شود و معمولاً اپراتورها را مجبور می‌کند سیستم را برای نگهداری و تنظیم مجدد مختل‌کننده، از دسترس خارج کنند.[3]

برای حل این مشکل، گوگل یک عامل یادگیری تقویتی (RL) خودمختار معرفی کرد که به عنوان نگهبان بلادرنگ برای پردازنده ویلو عمل می‌کند. عامل RL به جای تکیه بر مدل‌های کالیبراسیون ثابت و مبتنی بر فیزیک، به طور مداوم سیگنال‌های باینری تشخیص خطا را که توسط کد سطحی تولید می‌شوند، در حین کار پردازنده نظارت می‌کند.[3][5]

این عامل هوش مصنوعی که کاملاً بدون دخالت انسان کار می‌کند، به صورت پویا بیش از ۱۰۰۰ پارامتر کنترل داخلی – مانند دامنه‌های پالس مایکروویو و فازهای کوپلینگ – را تنظیم می‌کند. این یادگیری مستمر و درون‌متنی، ۲۰ درصد سرکوب اضافی فوری در نرخ خطای منطقی به همراه داشت و ثابت کرد که نرم‌افزار می‌تواند سخت‌افزار کوانتومی آنالوگ را به صورت پویا تثبیت کند.[3]

برای نشان دادن قدرت محاسباتی خامی که توسط این کیوبیت‌های پایدار آزاد شده است، گوگل ویلو را تحت یک بنچمارک استاندارد به نام «نمونه‌برداری مدار تصادفی» (Random Circuit Sampling) قرار داد. این پردازنده یک محاسبه بسیار پیچیده را در کمتر از پنج دقیقه به پایان رساند. برای درک بهتر، شبیه‌سازی دقیقاً همان محاسبه بر روی سریع‌ترین ابررایانه کلاسیک جهان، تخمین زده می‌شود ۱۰ سپتیلیون سال طول بکشد – بازه زمانی که به مراتب از عمر جهان فراتر است.[2][5]

با وجود این ارقام خیره‌کننده، محققان تأکید می‌کنند که این صنعت هنوز در مراحل اولیه یک ماراتن طولانی قرار دارد. عبور از آستانه تصحیح خطا ثابت می‌کند که طرح اولیه بنیادی درست است، اما یک پردازنده ۱۰۵ کیوبیتی هنوز قادر به حل مسائل جدید دنیای واقعی یا شکستن رمزنگاری مدرن نیست.[4][5]

برای رسیدن به دوران محاسبات کوانتومی «در مقیاس کاربردی»، سیستم‌ها باید از صدها کیوبیت فیزیکی به میلیون‌ها کیوبیت مقیاس یابند. این مقیاس‌بندی عظیم مجموعه‌ای از گلوگاه‌های مهندسی جدید را معرفی می‌کند، از مدیریت سیم‌کشی عظیم و الزامات خنک‌سازی در داخل لوسترهای کرایوژنیک گرفته تا پردازش حجم عظیمی از داده‌های تصحیح خطا.[1]

نرم‌افزار کلاسیکی که این خطاها را رمزگشایی می‌کند، باید اطلاعات اندازه‌گیری را دقیقاً با سرعتی که رایانه کوانتومی تولید می‌کند، پردازش نماید. در حال حاضر، حتی با پیشرفته‌ترین رمزگشاها، تأخیر پردازش می‌تواند یک وقفه ۵۰ تا ۱۰۰ میکروثانیه‌ای ایجاد کند، گلوگاهی که با رشد اندازه شبکه به هزاران کیوبیت، تنها تشدید خواهد شد.[1]

با این وجود، تأثیر روانی و علمی پردازنده ویلو را نمی‌توان نادیده گرفت. برای دهه‌ها، شکاکان استدلال می‌کردند که آستانه تحمل خطا ممکن است یک غیرممکن فیزیکی باشد – سرابی که رایانه‌های کوانتومی را برای همیشه به آزمایشگاه محدود می‌کند. گوگل با اثبات اینکه خطاها می‌توانند به صورت نمایی سرکوب شوند، اساساً جدول زمانی را بازنویسی کرده و تأیید می‌کند که تحقق نهایی یک رایانه کوانتومی تحمل‌پذیر در برابر خطا دیگر یک مسئله فیزیکی نیست، بلکه یک مسئله مهندسی است.[5]