سیستم هلیوس کوانتینیوم به دقت گیت ۹۹.۹٪ رسید و از آستانه تحمل خطا عبور کرد

آنچه همه در مورد محاسبات کوانتومی اشتباه می‌فهمند، وسواس در مورد تعداد کیوبیت‌ها است. سال‌هاست که تیتر خبرها با هیجان شرکت‌هایی را دنبال می‌کنند که صدها یا هزاران کیوبیت را روی یک تراشه فشرده می‌کنند و این عدد خام را به عنوان معیاری برای پیشرفت در نظر می‌گیرند. اما هزار کیوبیت نویزدار عملاً برای محاسبات پیچیده بی‌فایده هستند. گلوگاه واقعی همیشه دقت (Fidelity) بوده است—اینکه آن کیوبیت‌ها چقدر می‌توانند یک عملیات منطقی را قبل از اینکه حالت کوانتومی ظریفشان به نویز تبدیل شود، با دقت انجام دهند.

این هفته، این بحث اساساً تغییر کرد. کوانتینیوم اعلام کرد که سیستم جدید هلیوس آن به دقت گیت دو کیوبیتی ۹۹.۹٪ دست یافته است. در حالی که شاید یک درصد ناچیز برای یک فرد عادی شبیه یک به‌روزرسانی تکراری جزئی به نظر برسد، در فیزیک مکانیک کوانتومی، «سه نُه» (۹۹.۹٪) عدد جادویی است.[1]

این عدد نشان‌دهنده آستانه نظری پذیرفته‌شده برای تصحیح خطای کد سطحی (Surface Code) است. زیر ۹۹.۹٪، تلاش برای تصحیح خطا نویز بیشتری نسبت به آنچه رفع می‌کند، وارد سیستم می‌کند. بالاتر از آن، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند از نظر تئوری به طور نامحدود کار کند و اشتباهات خود را قبل از اینکه محاسبات را از مسیر خارج کنند، شناسایی و اصلاح نماید.

برای درک اهمیت این موضوع، باید به دوران کنونی محاسبات کوانتومی نگاه کنیم که به عنوان NISQ (کوانتوم نویزدار در مقیاس متوسط) شناخته می‌شود. در دستگاه‌های NISQ، کیوبیت‌ها به راحتی توسط گرما، تشعشعات الکترومغناطیسی یا حتی پرتوهای کیهانی سرگردان مختل می‌شوند. آن‌ها ذاتاً شکننده هستند.

هنگامی که یک عملیات—یک «گیت»—بین دو کیوبیت انجام می‌دهید، احتمال کمی وجود دارد که شکست بخورد. اگر دقت گیت شما ۹۹٪ باشد، از هر ۱۰۰ عملیات، یکی اشتباه است. اگر یک الگوریتم برای شبیه‌سازی یک مولکول دارویی جدید به ۱۰,۰۰۰ عملیات نیاز داشته باشد، پاسخ نهایی چیزی جز نویز خالص نخواهد بود.

راه‌حل، تصحیح خطای کوانتومی است که چندین کیوبیت فیزیکی را با هم گروه‌بندی می‌کند تا به عنوان یک کیوبیت «منطقی» بسیار پایدار عمل کنند. اما تصحیح خطا به سربار (Overhead) عظیمی نیاز دارد. شما به کیوبیت‌های اضافی نیاز دارید تا به طور مداوم سیستم را اندازه‌گیری کنند، ناهنجاری‌ها را تشخیص دهند و اصلاحات را در زمان واقعی اعمال نمایند.

اگر کیوبیت‌های فیزیکی زیرین بیش از حد نویزدار باشند، عمل اندازه‌گیری آن‌ها برای رفع یک خطا در واقع خطاهای جدیدی را سریع‌تر از آنچه می‌توانند تصحیح شوند، ایجاد می‌کند. این همان «آستانه تحمل خطا» است. برای رایج‌ترین و کارآمدترین طرح تصحیح خطا، یعنی کد سطحی، این آستانه دقیقاً روی ۹۹.۹٪ قرار دارد.[2]

سیستم هلیوس کوانتینیوم، که به جای مدارهای ابررسانا مورد علاقه گوگل و آی‌بی‌ام، بر فناوری یون‌های به دام افتاده متکی است، اکنون به وضوح از آن خط عبور کرده است. این شرکت با معلق کردن یون‌های ایتربیوم در خلاء با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی و دستکاری آن‌ها با لیزرهای دقیق کالیبره شده، به کنترلی بی‌سابقه دست یافت.[1]

با این حال، ناظر کنجکاو و شکاک باید بین آنچه عرضه شده و آنچه صرفاً تلویحاً بیان می‌شود، تمایز قائل شود. کوانتینیوم دقت ۹۹.۹٪ را روی جفت‌های کیوبیتی مجزا در معماری هلیوس نشان داده است. آن‌ها هنوز یک ماشین عظیم و کاملاً تصحیح‌شده از نظر خطا نساخته‌اند که بتواند فردا رمزنگاری RSA را بشکند یا پروتئین‌های پیچیده را شبیه‌سازی کند.

زبان بازاریابی پیرامون این اعلامیه به شدت بر عبارت «قابلیت تجاری» تأکید دارد. در حالی که عبور از این آستانه یک دستاورد فیزیکی بزرگ است، مقیاس‌دهی این معماری تا هزاران کیوبیت منطقی مورد نیاز برای تسلط تجاری، همچنان یک چالش مهندسی دلهره‌آور باقی مانده است.[1]

سیستم‌های یون به دام افتاده به سختی مقیاس‌پذیر هستند. برخلاف تراشه‌های ابررسانا، که می‌توانند با استفاده از تکنیک‌های ساخت نیمه‌رسانای اصلاح‌شده چاپ شوند، سیستم‌های یون به دام افتاده به آرایه‌های پیچیده‌ای از لیزرها، آینه‌ها و مسیریابی نوری نیاز دارند.

جابجایی یون‌ها در یک تله برای انجام عملیات زمان می‌برد. با رشد سیستم، مسیریابی به یک ترافیک عظیم تبدیل می‌شود. کوانتینیوم ادعا می‌کند که هلیوس دارای یک معماری جدید «دستگاه جفت‌کننده بار کوانتومی» (QCCD) است که این مشکل مسیریابی را حل می‌کند، اما تأیید مستقل عملکرد آن در مقیاس بزرگ هنوز در انتظار است.[2]

با وجود این هشدارها، شواهد ارائه شده در مقاله علمی همراه آن‌ها قوی است. محققان مستقل اندازه‌گیری‌های دقت را تأیید کرده‌اند و صحت این موضوع را که عملیات فیزیکی به اندازه کافی تمیز هستند تا از تحمل خطا پشتیبانی کنند، تأیید نموده‌اند.[2]

این امر مسابقه محاسبات کوانتومی را به فاز جدیدی منتقل می‌کند. ما در حال خروج از دوران پیشرفت‌های فیزیکی و ورود به دوران مهندسی سیستم‌ها هستیم. سؤال دیگر این نیست که «آیا می‌توانیم یک کیوبیت به اندازه کافی خوب برای تصحیح بسازیم؟» بلکه این است که «چگونه یک میلیون از آن‌ها را بدون ورشکستگی به هم متصل کنیم؟»

پیامدهای این امر برای صنایع مرتبط عمیق است. یک کامپیوتر کوانتومی با قابلیت تحمل خطا می‌تواند فعل و انفعالات مولکولی را با دقت کامل شبیه‌سازی کند و با دور زدن تقریب‌های مورد نیاز ابرکامپیوترهای کلاسیک، کشف دارو، تولید کود و مواد باتری را متحول سازد.[1]

همچنین زنگ خطر را برای امنیت سایبری به صدا در می‌آورد. در حالی که هلیوس برای اجرای الگوریتم شور (Shor's algorithm)—ابزار ریاضی که رمزنگاری استاندارد را می‌شکند—بسیار کوچک است، اثبات اینکه تحمل خطا قابل دستیابی است، به این معنی است که انتقال به رمزنگاری پساکوانتومی دیگر یک تمرین نظری نیست.

در نهایت، نقطه عطف کوانتینیوم دقیقاً همان چیزی است که ادعا می‌کند: عبور از یک آستانه. این بدان معنا نیست که انقلاب کوانتومی هفته آینده فرا می‌رسد، اما به این معنی است که مانع فیزیکی بنیادی برطرف شده است. کار سخت ساختن آینده اکنون می‌تواند به طور جدی آغاز شود.