نقشه‌راه صنعتی ائتلاف گسترده دانشگاه‌ها و شرکت‌ها برای مقیاس‌سازی رایانه‌های کوانتومی اتم‌خنثی تا مرز یک میلیون کیوبیت فیزیکی منتشر شد

Quantum Atlas
گزارش‌ها

عنوان گزارش: نقشه‌راه صنعتی ائتلاف گسترده دانشگاه‌ها و شرکت‌ها برای مقیاس‌سازی رایانه‌های کوانتومی اتم‌خنثی تا مرز یک میلیون کیوبیت فیزیکی منتشر شد
ژانر/موضوع: صنعت کوانتوم، اتم خنثی، محاسبات کوانتومی

تاریخ انتشار گزارش:23 ژوئیه 2026
منبع اصلی گزارش : The Quantum Insider

چکیده:
ائتلافی از دانشگاه‌های برتر (MIT، هاروارد، ییل) و شرکت‌های فعال در حوزه کوانتوم، نقشه‌راهی صنعتی برای مقیاس‌سازی رایانه‌های کوانتومی با اتم‌های خنثی منتشر کرده‌اند. این نقشه‌راه بر افزایش آرایه‌های کیوبیت، توسعه فوتونیک مجتمع، تصحیح خطا با کدهای qLDPC و شبکه‌سازی تأکید دارد. محققان پیش‌بینی می‌کنند با ادامه روند فعلی، این سیستم‌ها تا یک دهه آینده به سودمندی عملی رسیده و قادر به حل مسائل فراتر از توان ابررایانه‌ها باشند. همچنین استانداردهای جدیدی برای تعریف «مزیت کوانتومی» ارائه شده است.دراین گزارش، به بررسی دقیق‌تر این نقشه راه خواهیم پرداخت.

شرح گزارش:

در اقدامی بی‌سابقه، ائتلافی گسترده از محققان دانشگاه‌های برتر (مانند MIT، هاروارد، ییل، استنفورد)، آزمایشگاه‌های ملی (از جمله NIST) و شرکت‌های فعال در حوزه محاسبات کوانتومی (نظیر QuEra، PASQAL و Infleqtion)، نقشه راهی صنعتی برای توسعه رایانه‌های کوانتومی با اتم‌های خنثی منتشر کرده‌اند.

این نقشه راه که به صورت پیش‎چاپ در سرور arXiv در دسترس است، برخلاف نقشه‌های راه قبلی که عمدتاً توسط شرکت‌های منفرد منتشر می‌شد، به هماهنگی در سراسر اکوسیستم کوانتومی برای دستیابی به سیستم‌های مقیاس‌پذیر و مقاوم به خطا (fault-tolerant) تأکید دارد و اولویت‌های کلیدی را در زمینه آرایه‌های بزرگ‌تر کیوبیت، فوتونیک مجتمع، تصحیح خطای کوانتومی، نرم‌افزار، شبکه‌سازی و معیارهای سنجش استاندارد (standardized benchmarks) مشخص می‌کند. محققان معتقدند که پیشرفت مستمر نیازمند همکاری هماهنگ برای توسعه سیستم‌هایی با ده‌ها هزار کیوبیت فیزیکی و نمایش مزیت کوانتومی عملی در مسائل دنیای واقعی است.

رایانه‌های اتم خنثی از اتم‌های منفرد استفاده می‌کنند که توسط پرتوهای لیزر متمرکز، معروف به انبرک‌های نوری (optical tweezers)، در جای خود نگه داشته می‌شوند. این اتم‌ها را می‌توان در الگوهای بزرگ و قابل برنامه‌ریزی چیدمان کرد و حتی در حین محاسبه جابه‌جا نمود. برای انجام عملیات، محققان اتم‌ها را به حالت‌های پرانرژی ریدبرگ (Rydberg states) برانگیخته می‌کنند که در آن‌ها اتم‌ها با یکدیگر برهم‌کنش قوی داشته و درهمتنیده (entangled) شده و عملیات منطقی کوانتومی را انجام می‌دهند. این بستر به دلیل همسان بودن طبیعی اتم‌های یک عنصر و عدم نیاز به ساخت تک‌تک آن‌ها با ویژگی‌های کاملاً مشابه (برخلاف دستگاه‌های حالت جامد)، و همچنین قابلیت چیدمان مجدد اتم‌ها برای تعامل کیوبیت‌های دور از هم، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

بر اساس این مطالعه، سیستم‌های اتم خنثی به آرایه‌هایی با هزاران اتم رسیده‌اند و فیدلیتی گیت‌های دو-کیوبیتی (two-qubit gate fidelity) در آزمایش‌های پیشرو از ۹۹.۵٪ فراتر رفته است. همچنین الگوریتم‌های منطقی با استفاده از ۴۸ کیوبیت منطقی کدگذاری شده در حداکثر ۲۸۰ کیوبیت فیزیکی به نمایش درآمده است که نشان‌دهنده ورود به عصر عملیات منطقی تصحیح‌خطا است، هرچند سیستم‌های فعلی هنوز فاصله زیادی با ماشین‌های قابل استفاده برای محاسبات طولانی و تجاری دارند.

نقشه راه، نیازمندی‌های این حوزه را در چندین بخش به هم پیوسته سازماندهی می‌کند و بر رویکردی در سطح سیستم (systems-level approach) تأکید دارد. تخمین زده می‌شود که تعداد کیوبیت‌های فیزیکی در آزمایش‌های پیشرو هر سال حدود ۱.۸ برابر شده و خطاهای گیت (gate errors) سالانه حدود ۰.۶ برابر کاهش یافته است. اگر این روند ادامه یابد، اتم‌های خنثی می‌توانند ظرف یک دهه آینده به مرحله سودمندی کوانتومی (quantum utility) برسند، مشروط بر اینکه سیستم‌هایی با محدوده ۱۰۰,۰۰۰ تا ۱ میلیون کیوبیت فیزیکی با کنترل قابل اعتماد ساخته شوند.

برای محاسبات سنگین مانند الگوریتم شور (Shor’s algorithm) برای فاکتورگیری اعداد بزرگ، تخمین‌ها نشان می‌دهد که با استفاده از کدهای کارآمدتر qLDPC (quantum low-density parity-check) می‌توان این الگوریتم را با حدود ۱۰,۰۰۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ کیوبیت فیزیکی اجرا کرد. مطالعه همچنین بر تعریف دقیق‌تری از مزیت کوانتومی عملی تأکید دارد و آن را مشروط به تولید نتیجه صحیح، انجام وظیفه‌ای فراتر از سخت‌افزار کلاسیک موجود، داشتن مزیت مقیاس‌پذیری (scaling advantage) نسبت به روش‌های کلاسیک و پرداختن به مسئله‌ای که برای افراد خارج از تیم سازنده اهمیت دارد، می‌داند و پیشنهاد می‌دهد که مسائل بنچمارک (benchmark problems) با سابقه طولانی مطالعه کلاسیک، مانند مدل هابارد دو بعدی (two-dimensional Fermi-Hubbard model)، به صورت مسابقاتی مشابه فرآیند NIST برای ارزیابی رمزنگاری پسا-کوانتومی، تعریف شوند.

مهم‌ترین چالش سخت‌افزاری فوری، مقیاس‌دهی سیستم‌های نوری برای به دام انداختن و کنترل اتم‌ها است. سیستم‌های فعلی به لیزرها، مدولاتورهای نوری فضایی (spatial light modulators)، انحراف‌دهنده‌های نوری (optical deflectors) و سیستم‌های تصویربرداری با کیفیت بالا وابسته هستند. فوتونیک مجتمع به عنوان یک مسیر بالقوه برای برون‌رفت از این تنگنای کنترلی شناسایی شده است، زیرا تراشه‌های فوتونیکی می‌توانند با داشتن هزاران کانال کنترلی، جایگزین برخی از تجهیزات فضای آزاد حجیم شوند.با این حال، سیستم‌های کنترلی آینده باید بتوانند بین ۱۰,۰۰۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ کیوبیت را پشتیبانی کنند.

چالش دیگر، مسئله افت اتم (atom loss) است که در الگوریتم‌های مقاوم به خطا با میلیون‌ها عملیات، بحرانی می‌شود؛ بنابراین بارگذاری مجدد پیوسته (continuous reloading) اتم‌های جایگزین بدون اختلال در محاسبه، به عنوان یک نیاز مرکزی مطرح شده است. همچنین فرآیند خوانش (readout) باید سریع‌تر و با تخریب کمتر (less destructive) انجام شود و نرم‌افزارهای کامپایلر (compilers) باید قادر به زمان‌بندی گیت‌ها، جابه‌جایی اتم‌ها، اندازه‌گیری‌ها و اقدامات اصلاحی به صورت لحظه‌ای باشند.

در نهایت، نقشه راه به اتصال چندین پردازنده اتم خنثی از طریق شبکه‌سازی (networking) نیز توجه دارد که با استفاده از روش‌هایی مانند تبدیل اطلاعات کوانتومی اتمی به فوتون‌هایی که بین ماژول‌ها سفر می‌کنند یا جابه‌جایی فیزیکی آرایه‌های اتمی، امکان ایجاد سیستم‌های توزیع‌شده (distributed systems) بزرگ‌تر را فراهم می‌کند، هرچند خود این کار منابع جدیدی از خطا و افت را معرفی می‌کند.

این تیم تحقیقاتی شامل دانشمندانی از موسسات و دانشگاه هایی به شرح زیر بود:

The research team included scientists from: the Massachusetts Institute of Technology; Harvard University; the Joint Center for Quantum Information and Computer Science at NIST and the University of Maryland; the Weizmann Institute of Science; the University of California, Los Angeles; the University of Wisconsin-Madison; the University of California, Santa Barbara; Université Paris-Saclay, Institut d’Optique Graduate School and the CNRS Laboratoire Charles Fabry; the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing; the University of Massachusetts Boston; the University of Illinois Urbana-Champaign; the University of Chicago; PASQAL; Northeastern University; the University of Colorado Boulder; Nanofiber Quantum Technologies, or NanoQT; the Simons Institute for the Theory of Computing at the University of California, Berkeley; ETH Zurich; Cornell University; Yale University; the University of Washington; Infleqtion; QuEra Computing UK; Harvard’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences; Stanford University; Purdue University’s Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering; Ludwig Maximilian University of Munich; the Max Planck Institute of Quantum Optics; and planqc. QuEra Computing was also represented through one researcher’s current affiliation.