طرح جدید مقاوم در برابر خطا، تعداد کیوبیت‌های مورد نیاز را ۱۰۰ برابر کاهش داده و جدول زمانی برتری کوانتومی را تسریع می‌کند

برای دهه‌ها، وعده تحول‌آفرین محاسبات کوانتومی—شبیه‌سازی مولکولی بی‌نقص، مواد باتری نسل بعدی، و کشف سریع دارو—توسط یک مشکل فیزیکی سرسخت به گروگان گرفته شده بود: اطلاعات کوانتومی به طرز باورنکردنی شکننده هستند. اگر به جدول زمانی این پیشرفت‌ها یا تهدید نهایی برای رمزنگاری مدرن اهمیت می‌دهید، این شکنندگی گلوگاه اصلی بوده است. کامپیوترهای کلاسیک می‌توانند میلیاردها سال بدون نقص سخت‌افزاری کار کنند؛ در حالی که بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها، معمولاً داده‌های خود را در کسری از ثانیه به دلیل نویز محیطی از دست می‌دهند. رفع این مشکل نیازمند تصحیح خطای کوانتومی است، فرآیندی که آنقدر منابع‌بر است که افق ماشین‌های کوانتومی مفید را تا عمق دهه ۲۰۳۰ به تأخیر انداخته بود.[4]

اکنون، ائتلافی از محققان از شرکت «کوئرا» (QuEra)، هاروارد، MIT و ییل، چارچوبی را منتشر کرده‌اند که اساساً محاسبات این تأخیر را تغییر می‌دهد. این طرح که «تحمل خطای الگوریتمی عرضی» (AFT) نامیده می‌شود و با معماری جدید «بی‌بی-استار» (BB*) همراه شده است، ادعا می‌کند که سخت‌افزار مورد نیاز برای شبیه‌سازی کوانتومی قابل اعتماد را تا ۱۰۰ برابر کاهش می‌دهد. محققان با بازنگری در نحوه ردیابی و تصحیح خطاها، نشان داده‌اند که مسیر رسیدن به محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا نیازی به انتظار برای افزایش بی‌رویه مقیاس سخت‌افزار ندارد و به طور بالقوه جدول زمانی کاربرد تجاری کوانتومی را سال‌ها تسریع می‌کند.[1]

تفکیک این پیشرفت نظری از سخت‌افزاری که در حال حاضر در آزمایشگاه‌ها موجود است، حیاتی است. محققان صرفاً یک ماشین یک میلیون کیوبیتی را که قادر به حل مشکلات جهان باشد، راه‌اندازی نکرده‌اند. در عوض، آن‌ها یک نقشه راه مورد تأیید همتایان منتشر کرده و اصول اساسی تصحیح خطا را بر روی سیستم‌های اتم خنثی موجود نشان داده‌اند. این امر ثابت می‌کند که سربار مورد نیاز برای رسیدن به تحمل خطا به طور چشمگیری کمتر از آن چیزی است که صنعت حتی یک سال پیش تصور می‌کرد. این قابلیت از قلمرو فیزیک نظری به مهندسی مقیاس‌پذیر در حال حرکت است، اما زبان بازاریابی «کاهش ۱۰۰ برابری» همچنان یک پیش‌بینی در نقشه راه را توصیف می‌کند، نه یک محصول تجاری کاملاً محقق شده.[4]

قبل از تصحیح خطا، کامپیوترهای کوانتومی در عصر «کوانتوم مقیاس متوسط نویزی» (NISQ) فعالیت می‌کردند. در یک دستگاه NISQ، محققان به سادگی یک الگوریتم را با حداکثر سرعت اجرا می‌کنند و امیدوارند قبل از اینکه کیوبیت‌ها حالت کوانتومی ظریف خود را از دست بدهند—پدیده‌ای که به عنوان واهمدوسی شناخته می‌شود—محاسبه به پایان برسد. از آنجا که واهمدوسی در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد، ماشین‌های NISQ اساساً به محاسبات بسیار سطحی و کوتاه محدود می‌شوند. آن‌ها برای تحقیقات پایه مفید هستند، اما نمی‌توانند الگوریتم‌های عمیق و پیچیده‌ای را که برای کشف یک ترکیب دارویی جدید یا شبیه‌سازی یک ابررسانای دمای بالا لازم است، اجرا کنند. برای انجام این کار، دستگاه باید فعالانه خطاها را در حین اجرای محاسبه، بدون اندازه‌گیری و تخریب تصادفی حالت کوانتومی، شناسایی و رفع کند.[2]

برای درک اهمیت کاهش ۱۰۰ برابری، باید «مالیات کد سطحی» را که بر مهندسی کوانتومی حاکم بوده است، درک کرد. از لحاظ تاریخی، کیوبیت‌ها آنقدر مستعد نویز محیطی هستند که مهندسان نمی‌توانند به صورت فردی به آن‌ها اعتماد کنند. در عوض، آن‌ها صدها یا حتی هزاران کیوبیت فیزیکی و مستعد خطا را با هم بسته‌بندی می‌کنند تا به عنوان یک کیوبیت «منطقی» واحد و قابل اعتماد عمل کنند. این افزونگی بی‌رویه به این معنی بود که ماشینی که برای انجام یک شبیه‌سازی شیمیایی مفید به ۱۰۰ کیوبیت منطقی نیاز داشت، ممکن بود به بیش از ۱۰۰,۰۰۰ کیوبیت فیزیکی احتیاج داشته باشد. با توجه به اینکه بزرگترین پردازنده‌های کوانتومی امروزی حدود ۱۰۰۰ کیوبیت فیزیکی دارند، این محاسبات برای کاربردهای کوتاه‌مدت به سادگی کارساز نبود.[3]

راه‌حل پیش‌فرض صنعت برای این مشکل، «کد سطحی» بوده است. کد سطحی یک روش بسیار قابل اعتماد و اثبات شده ریاضی برای تصحیح خطای کوانتومی است، اما به طرز فجیعی ناکارآمد است. این روش نیاز به چیدمان کیوبیت‌های فیزیکی در یک شبکه دو بعدی سخت دارد، جایی که اکثریت قریب به اتفاق کیوبیت‌ها کاری جز بررسی مداوم همسایگان خود برای یافتن خطا انجام نمی‌دهند. اگر یک کیوبیت منطقی واحد برای پایدار ماندن به ۱۰۰۰ کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد، یک ماشین تجاری مفید با ۱۰۰۰ کیوبیت منطقی به یک میلیون کیوبیت فیزیکی نیاز خواهد داشت. ساخت یک ماشین یک میلیون کیوبیتی با تکنیک‌های ساخت امروزی، یک کابوس لجستیکی و مالی است که نیازمند سیستم‌های خنک‌کننده برودتی عظیم و الکترونیک کنترلی بی‌سابقه‌ای است.[3]

معماری BB* این رویکرد عمومی و بی‌رویه را به نفع «طراحی مشترک» سخت‌افزار-نرم‌افزار کنار می‌گذارد. محققان به جای ساخت یک شبکه تصحیح خطا که برای همه مناسب باشد و با هر الگوریتمی یکسان رفتار کند، کد تصحیح خطا را مستقیماً با ساختار الگوریتم‌های خاصی که در حال اجرا هستند—به ویژه شبیه‌سازی‌های هامیلتونی شبکه‌ای که در علم مواد استفاده می‌شوند—تنظیم کردند. با تطبیق هندسه تصحیح خطا با هندسه مشکل فیزیکی، سیستم می‌تواند عملیاتی را انجام دهد که به عنوان عملیات «عرضی» شناخته می‌شوند. به زبان ساده، این امر به کامپیوتر کوانتومی اجازه می‌دهد تا گیت‌های منطقی را به طور همزمان در کل بلوک‌های کیوبیت اعمال کند، به جای اینکه داده‌های خطا را به صورت متوالی و گام به گام استخراج کند.[1]

عملیات عرضی، جام مقدس تصحیح خطای کوانتومی هستند زیرا از آبشاری شدن خطاها جلوگیری می‌کنند. در یک مدار کوانتومی استاندارد، یک خطا در یک کیوبیت فیزیکی می‌تواند به راحتی در طول یک گیت درهم‌تنیده به کیوبیت‌های دیگر سرایت کند و خسارت را چند برابر کند تا زمانی که کل محاسبه از بین برود. گیت‌های عرضی به طور دقیق به صورت جفت بین کیوبیت‌های فیزیکی متناظر در بلوک‌های منطقی مختلف عمل می‌کنند. این بدان معناست که یک خطای فیزیکی واحد فقط می‌تواند به یک کیوبیت فیزیکی دیگر سرایت کند، که تشخیص و رفع آن را برای کد تصحیح خطا فوق‌العاده آسان می‌کند. از لحاظ تاریخی، تصور می‌شد که گیت‌های عرضی برای انجام محاسبات جهانی بسیار محدود هستند، اما چارچوب AFT جدید ثابت می‌کند که می‌توان از آن‌ها بسیار گسترده‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، استفاده کرد.[1]

نتیجه، طبق داده‌های منتشر شده، فشرده‌سازی خیره‌کننده منابع مورد نیاز است. حجم کاری که قبلاً به تعداد کیوبیت‌های فیزیکی عظیمی نیاز داشت، اکنون می‌تواند با تقریباً ۱۰۰ برابر کیوبیت فیزیکی کمتر اجرا شود. علاوه بر این، زمان مورد نیاز برای اجرای این شبیه‌سازی‌ها تا ۱۰۰۰ برابر کاهش می‌یابد، زیرا سیستم زمان بسیار کمتری را صرف توقف برای بررسی خود از نظر خطا می‌کند. این کارایی با رمزگشایی مشترک کیوبیت‌ها برای در نظر گرفتن انتشار خطای فیزیکی در طول گیت‌های درهم‌تنیده به دست می‌آید، تکنیکی که یک مزیت بزرگ در محاسبات مقاوم در برابر خطای اولیه فراهم می‌کند.

هنگامی که گیت‌های عرضی کافی نیستند، کامپیوترهای کوانتومی به فرآیندی به نام «تقطیر حالت جادویی» متکی می‌شوند. حالت‌های جادویی منابع کوانتومی ویژه‌ای هستند که عملیات پیچیده و غیرعرضی را امکان‌پذیر می‌سازند، اما تولید آن‌ها فوق‌العاده دشوار و پرهزینه است. در معماری‌های سنتی، کارخانه‌های حالت جادویی تا ۹۰ درصد از کل منابع سخت‌افزاری کامپیوتر کوانتومی را مصرف می‌کنند. ائتلاف هاروارد و کوئرا اخیراً اولین پروتکل تقطیر حالت جادویی در سطح منطقی را بر روی یک کامپیوتر کوانتومی اتم خنثی نشان دادند که حالت‌های جادویی با وفاداری بالا را به طور کامل در لایه منطقی کدگذاری شده تقطیر می‌کند. با ادغام این فرآیند تقطیر با کدهای BB* با نرخ بالا، تیم به طور چشمگیری «مالیات سخت‌افزاری» را که معمولاً حالت‌های جادویی طلب می‌کنند، کاهش داد.

این پیشرفت الگوریتمی به طور منحصر به فردی برای کامپیوترهای کوانتومی اتم خنثی، مانند آن‌هایی که توسط کوئرا توسعه داده می‌شوند، مناسب است. برخلاف تراشه‌های ابررسانا، که دارای اتصالات ثابت و سیم‌کشی شده بین کیوبیت‌ها هستند، سیستم‌های اتم خنثی از موچین‌های نوری برای جابجایی پویا اتم‌های منفرد در طول محاسبه استفاده می‌کنند. این انعطاف‌پذیری فیزیکی دقیقاً همان چیزی است که کدهای جدید با نرخ بالا برای عملکرد کارآمد به آن نیاز دارند و به دستگاه اجازه می‌دهد تا اتصال خود را در حین کار پیکربندی مجدد کند. هم‌افزایی بین نرم‌افزار الگوریتمی و سخت‌افزار اتم خنثی چیزی است که کاهش عظیم سربار را امکان‌پذیر می‌سازد و نشان می‌دهد که چرا طراحی مشترک در حال تبدیل شدن به استراتژی غالب در صنعت کوانتوم است.[4]

با این حال، هنگام خواندن هر نقشه راه محاسبات کوانتومی، به یک چشم شکاک نیاز است. عبارت «کاهش ۱۰۰ برابری» یک پیش‌بینی ریاضی مبتنی بر نمایش‌های اولیه و شبیه‌سازی‌های دقیق است، نه یک معیار اجرا شده بر روی یک سیستم تجاری با مقیاس کامل. مهندسی مورد نیاز برای حفظ کنترل نوری کامل بر ده‌ها هزار اتم متحرک در یک محفظه خلاء، همچنان یک چالش عظیم باقی مانده است. علاوه بر این، این بهره‌وری ۱۰۰ برابری خاص، مستقیماً برای شبیه‌سازی‌های دینامیک کوانتومی و علم مواد اعمال می‌شود. این به طور خودکار به ۱۰۰ برابر افزایش سرعت برای الگوریتم شور (Shor’s algorithm)، ابزار ریاضی که رمزنگاری کلاسیک را تهدید می‌کند، ترجمه نمی‌شود. جدول زمانی برای شکستن RSA-2048 همچنان با اطمینان در آینده‌ای دور، احتمالاً تا اواخر دهه ۲۰۳۰، باقی می‌ماند.

ذینفعان فوری این جدول زمانی فشرده، محققانی خواهند بود که بر روی سیستم‌های چندجسمی با همبستگی قوی کار می‌کنند. این‌ها مشکلات پیچیده فیزیکی پشت ابررساناها، مواد باتری پیشرفته و مواد مغناطیسی هستند. ابرکامپیوترهای کلاسیک، هر چقدر هم که بزرگ باشند، هنگام تلاش برای شبیه‌سازی برهم‌کنش‌های کوانتومی بیش از چند ده الکترون، به دیوارهای ریاضی اساسی برخورد می‌کنند. یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم در برابر خطا با تنها چند صد کیوبیت منطقی می‌تواند این برهم‌کنش‌ها را به طور کامل شبیه‌سازی کند و اکتشافاتی را که در حال حاضر غیرممکن هستند، آشکار سازد. از آنجا که معماری BB* به طور خاص برای این شبیه‌سازی‌های هامیلتونی شبکه‌ای طراحی مشترک شده است، صنعت علم مواد در موقعیتی قرار دارد که اولین صنعتی باشد که به مزیت کوانتومی واقعی دست می‌یابد.

با وجود هشدارهای لازم، چارچوب تحمل خطای الگوریتمی عرضی نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم واقعی برای صنعت است. این ثابت می‌کند که مسیر رسیدن به «کاربرد کوانتومی»—نقطه‌ای که ماشین‌های کوانتومی به طور قطعی از ابرکامپیوترهای کلاسیک در وظایف با ارزش اقتصادی پیشی می‌گیرند—صرفاً یک مشکل مقیاس‌بندی سخت‌افزاری نیست. صنعت کوانتوم با پیشی گرفتن از گلوگاه تصحیح خطا با طراحی مشترک نرم‌افزار و معماری، عملاً چندین نسل از توسعه سخت‌افزار را پشت سر گذاشته است. برای زمینه‌های شیمی، علم مواد و داروسازی، عصر شبیه‌سازی کوانتومی عملی به طور قابل توجهی به زمان حال نزدیک‌تر شده و از یک فرضیه دوردست به یک جدول زمانی مهندسی ملموس تبدیل شده است.[4]