یون به دام افتاده در برابر ابررسانا: واقعیتِ اتصال کیوبیت‌ها، زمان همدوسی و دقت گیت

در ۱۱ سپتامبر ۲۰۲۶، یک تحلیل صنعتی از بودجه‌های تخصیص‌یافته اخیر کوانتومی در ایالات متحده، تغییر در نحوه ارزیابی سخت‌افزار کوانتومی توسط سازمان‌ها را رسمی کرد. انتخاب بین دو معماری پیشرو — مدارهای ابررسانا و یون‌های به دام افتاده — دیگر به عنوان رقابتی برای شمارش خام کیوبیت‌ها مطرح نیست.

در عوض، این یک محاسبه دقیق از این است که هر سیستم تنگناهای مهندسی خود را کجا پنهان می‌کند. پروژه‌های ابررسانا بودجه‌ها را به سمت سیستم‌های برودتی (کرایوژنیک) و ساخت تراشه هدایت می‌کنند، در حالی که توسعه‌دهندگان یون به دام افتاده روی لیزرها و الکترونیک کنترلی متمرکز شده‌اند.[1]

بازاریابی رایانش کوانتومی از نظر تاریخی بر هیاهوی تبلیغاتی تک‌معیاری تکیه داشته است و اغلب تعداد کل کیوبیت‌های فیزیکی یا امتیازات حجم اختصاصی را در بوق و کرنا می‌کند. اما در پسِ این بیانیه‌های مطبوعاتی، قابلیت واقعی یک پردازنده کوانتومی توسط یک بده‌بستان فیزیکی سخت‌گیرانه بین سرعت گیت، زمان همدوسی و اتصال تعیین می‌شود.

کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا، که توسط شرکت‌هایی مانند IBM و Google حمایت می‌شوند، اطلاعات را در مدارهای الکتریکی کدگذاری می‌کنند. این سیستم‌ها به اتصالات جوزفسون (Josephson junctions) متکی هستند — قطعاتی که وقتی تا دماهای میلی‌کلوین، نزدیک به صفر مطلق سرد می‌شوند، اجازه می‌دهند ابرجریان‌ها بدون مقاومت جریان یابند. از آنجا که این مدارها با استفاده از تکنیک‌های مشابه ساخت نیمه‌هادی‌های کلاسیک تولید می‌شوند، از یک زنجیره تأمین صنعتی تثبیت‌شده بهره می‌برند.[1][2]

مزیت اصلی رویکرد ابررسانا، سرعت است. گیت‌های منطقی کوانتومی در این سیستم‌ها در ۱۰ تا ۱۰۰ نانوثانیه اجرا می‌شوند. با این حال، این سرعت با یک جریمه سنگین در پایداری همراه است. کیوبیت‌های ابررسانا به شدت نسبت به محیط خود حساس هستند، که منجر به زمان‌های همدوسی — مدتی که یک کیوبیت می‌تواند حالت کوانتومی خود را حفظ کند — می‌شود که معمولاً در حدود ۳۰۰ میکروثانیه به حداکثر خود می‌رسد.[2][4]

سیستم‌های یون به دام افتاده، که توسط شرکت‌هایی مانند IonQ و Quantinuum توسعه یافته‌اند، رویکردی کاملاً متضاد دارند. آن‌ها به جای ساخت اتم‌های مصنوعی روی یک تراشه، از اتم‌های باردار واقعی استفاده می‌کنند که توسط میدان‌های الکترومغناطیسی در یک خلأ فوق‌العاده بالا معلق شده‌اند. حالت کوانتومی در سطوح الکترونیکی پایدار یون کدگذاری می‌شود و عملیات با استفاده از پالس‌های لیزری یا مایکروویو که دقیقاً تنظیم شده‌اند، انجام می‌گیرد.[1][5]

از آنجا که تمام یون‌های یک ایزوتوپ مشخص اساساً یکسان هستند، کیوبیت‌های یون به دام افتاده از تغییرات تولیدی که مدارهای ابررسانا را آزار می‌دهد، رنج نمی‌برند. این انزوا به آن‌ها زمان‌های همدوسی خارق‌العاده‌ای می‌بخشد. در حالی که یک کیوبیت ابررسانا در کسری از میلی‌ثانیه دچار ناهمدوسی می‌شود، سیستم‌های یون به دام افتاده زمان‌های همدوسی بین ۰.۲ ثانیه تا ۶۰۰ ثانیه را به ثبت رسانده‌اند.[2][3]

بهای این پایداری، سرعت گیت است. گیت‌های دو کیوبیتی یون به دام افتاده، که به حرکت فیزیکی جمعی یون‌ها در تله متکی هستند، برای اجرا به ۱.۶ میکروثانیه تا چند میلی‌ثانیه زمان نیاز دارند. این یعنی آن‌ها چندین مرتبه بزرگی کندتر از همتایان ابررسانای خود هستند.[4]

با این حال، تعیین‌کننده‌ترین تفاوت بین این دو معماری، اتصال است. در یک پردازنده ابررسانا، کیوبیت‌ها در جای خود روی یک شبکه دوبعدی ثابت هستند. آن‌ها معمولاً فقط می‌توانند با همسایگان فیزیکی بلافصل خود تعامل داشته باشند. اگر یک الگوریتم نیاز به درهم‌تنیدگی دو کیوبیت در دو طرف مخالف تراشه داشته باشد، سیستم باید مجموعه‌ای از عملیات‌های متوالی SWAP را برای انتقال اطلاعات در سراسر شبکه انجام دهد.[1]

هر گیت SWAP زمان می‌برد و احتمال خطای کوچکی را وارد سیستم می‌کند. در یک آزمایش مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در سال ۲۰۲۳، محققان دقت ۹۹.۵ درصدی را برای یک گیت controlled-Z سی نانوثانیه‌ای روی یک پلتفرم ابررسانا گزارش کردند. اگرچه این رقم چشمگیر است، اما زنجیر کردن ده‌ها مورد از این گیت‌ها به سرعت محاسبات را تا جایی تخریب می‌کند که خروجی از نویز تصادفی غیرقابل تشخیص می‌شود.[1][3]

یون‌های به دام افتاده این مشکل مسیریابی را به طور کامل دور می‌زنند. در یک تله یونی خطی، دافعه کولنی بین ذرات باردار باعث می‌شود که آن‌ها یک حالت ارتعاشی جمعی را به اشتراک بگذارند — که اغلب به عنوان یک گذرگاه کوانتومی توصیف می‌شود. وقتی لیزر به هر دو یون در زنجیره برخورد می‌کند، حالت‌های داخلی آن‌ها را به این حرکت مشترک متصل کرده و آن‌ها را فارغ از فاصله فیزیکی‌شان از یکدیگر، درهم‌تنیده می‌کند.[4][5]

این اتصال همه‌به‌همه بومی به این معنی است که الگوریتم‌های یون به دام افتاده برای اجرای همان منطق، به عملیات‌های کل بسیار کمتری نیاز دارند. یک الگوریتم بسیار پیچیده که نیازمند درهم‌تنیدگی عمیق در میان متغیرهای متعدد است، اغلب روی یک سیستم یون به دام افتاده ۳۲ کیوبیتی با موفقیت بیشتری نسبت به یک سیستم ابررسانای ۱۲۷ کیوبیتی اجرا می‌شود، صرفاً به این دلیل که سیستم یونی از جریمه گیت‌های SWAP در امان است.[3][4][5]

مقیاس‌پذیری این سیستم‌ها موانع مهندسی کاملاً متفاوتی را به همراه دارد. توسعه‌دهندگان ابررسانا باید بفهمند که چگونه هزاران سیم کنترل مایکروویو مجزا را بدون وارد کردن گرمای بیش از حد، به داخل یک یخچال رقیق‌ساز هدایت کنند. با گسترش ردپای فیزیکی پردازنده، الزامات خنک‌کنندگی به طرز بی‌رحمانه‌ای افزایش می‌یابد.[1]

مقیاس‌پذیری یون به دام افتاده توسط اپتیک و فضای فیزیکی محدود می‌شود. یک تله خطی منفرد در حال حاضر می‌تواند تا ۳۲ یون درهم‌تنیده قابل کنترل را در خود نگه دارد، پیش از آنکه زنجیره ناپایدار شود. برای ساخت سیستم‌های بزرگ‌تر، توسعه‌دهندگان در حال پیگیری معماری دستگاه بارجفت‌شده کوانتومی (Quantum CCD) هستند که شامل جابجایی فیزیکی یون‌ها بین مناطق مختلف تله‌گذاری، یا استفاده از اتصالات فوتونیک برای پیوند دادن ماژول‌های مجزا است.[1][4][5]

صنعت رایانش کوانتومی در حال حاضر در عصر کوانتوم مقیاس متوسط نویزدار (NISQ) قرار دارد، جایی که ماشین‌ها به اندازه کافی بزرگ هستند تا الگوریتم‌های پایه را اجرا کنند، اما فاقد ظرفیت مازاد مورد نیاز برای تصحیح خطای کوانتومی کامل هستند. در این شرایط، انتخاب معماری تعیین می‌کند که چه نوع مسائلی را می‌توان حل کرد.[4]

سازمان‌هایی که این سیستم‌ها را ارزیابی می‌کنند باید فراتر از نقشه‌های راهِ اعلام‌شده نگاه کنند و بررسی کنند که واقعاً چه چیزی به بازار عرضه شده است. الکس کراسنوک، محقق دانشگاه بین‌المللی فلوریدا، در پیش‌چاپ تدارکاتی خود در آوریل ۲۰۲۶، سیستم‌های ابررسانا را دارای گسترده‌ترین اکوسیستم تجاری توصیف می‌کند، در حالی که یون‌های به دام افتاده در کارهای با دقت بالا و عمق منطقی، قدرتمند هستند.[1][4]

مسیر رسیدن به رایانش کوانتومی تحمل‌پذیر در برابر خطا، نیازمند عبور از این محدودیت‌های فیزیکی مطلق است. در حالی که محتواهای بازاریابی مکرراً مرز بین یک پردازنده ۱۰۰ کیوبیتی عرضه‌شده و یک نقشه راه نظری یک میلیون کیوبیتی را محو می‌کنند، کاربرد کوتاه‌مدت این ماشین‌ها کاملاً به بودجه خطای آن‌ها بستگی دارد. تا زمانی که تصحیح خطای کوانتومی از نظر عملی امکان‌پذیر نشود، انتخاب معماری یک سازش اجباری باقی می‌ماند: اجرای سریع مدارهای ابررسانا در برابر اتصال بی‌نقص یون‌های به دام افتاده.[6]