فراتر از کیوبیت‌ها: دانشگاه ییل کیوتریت‌های مقاوم در برابر خطا را نشان میدهد
عنوان خبر: فراتر از کیوبیت‌ها: دانشگاه ییل کیوتریت‌های مقاوم در برابر خطا را نشان میدهد
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، تصحیح خطای کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 15 مه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
پژوهشگران دانشگاه Yale با موفقیت #تصحیح_خطای_کوانتومی (#QEC) را برای سامانه‌های کوانتومی چندبعدی — شامل qutrit ها (سه‌سطحی) و ququart ها (چهارسطحی) — با استفاده از کدهای بوزونی GKP نشان دادند. این نخستین‌بار است که تصحیح خطای #qudit ها از نقطه سربه‌سر فراتر رفته و طول عمر ۸۲٪ (برای qutrit) و ۸۷٪ (برای ququart) بیشتر از حالت تصحیح نشده به‌دست آمده است. این تیم از یک کاواک ابررسانا و یک کیوبیت ترانسمون برای رمزگذاری و اندازه‌گیری حالت‌های منطقی استفاده کرد و فرآیند را از طریق یادگیری تقویتی که ۴۵ پارامتر را تنظیم می‌کند، بهینه کرد. این کار ثابت می‌کند که سیستم‌های چند سطحی می‌توانند به طور موثر تصحیح خطا شوند و حافظه‌های کوانتومی فشرده و کارآمد از نظر سخت‌افزاری را ارایه داده و معماری‌های تحمل‌پذیر خطا را ارتقا دهند.
شرح کامل خبر:
در پیشرفتی چشمگیر در زمینه تصحیح خطای کوانتومی (QEC)، پژوهشگران دانشگاه ییل برای نخستین بار موفق به پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز تصحیح خطا برای سیستم‌های کوانتومی با ابعاد بالاتر—به‌طور خاص qutritها (سیستم‌های سه‌حالته) و ququartها (سیستم‌های چهارحالته)—شده‌اند.
این نتایج که در نشریه Nature منتشر شده، نشان میدهد که quditهای دارای تصحیح خطا (سیستم‌های کوانتومی با d>2 حالت) نه‌تنها از نظر فیدلیتی (fidelity) و طول عمر از پیاده‌سازی‌های فیزیکی بدون تصحیح عملکرد بهتری دارند، بلکه از نقطه بحرانی موسوم به “نقطه سر به سر” نیز عبور کرده‌اند—آستانه‌ای حیاتی که نشان میدهد استفاده از تصحیح خطا باعث بهبود خالص در حفظ اطلاعات کوانتومی شده است.
تصحیح خطای کوانتومی برای محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا ضروری است، چراکه حالت‌های کوانتومی به‌شدت در برابر نویز محیطی مانند dephasing، از دست رفتن فوتون و نوسانات حرارتی آسیب‌پذیر هستند. در گذشته، QEC عمدتاً بر پایه qubitها (سیستم‌های دوحالته) اجرا می‌شد، اما این پژوهش مرزهای این حوزه را به سوی سیستم‌های چندحالته گسترش میدهد، با بهره‌گیری از ساختار غنی‌تر و فضای هیلبرت بزرگ‌تر qutritها و ququartها.
این سیستم‌های با ابعاد بالاتر، امکان کدگذاری فشرده‌تر و کاراتر الگوریتم‌ها و گیت های کوانتومی را فراهم می‌کنند.
تیم ییل، حالات منطقی qutrit و ququart را در کاواک های مایکروویو ابررسانا با استفاده از کدهای بوزونی GKP (Gottesman–Kitaev–Preskill) رمزگذاری کرد.
این کدها، اطلاعات را به‌صورت شبکه‌ای در فضای فاز مرتب کرده و امکان شناسایی و تصحیح جابه‌جایی‌های کوچک را فراهم می‌سازند.این رمزگذاری در یک نوسانگر هارمونیک واحد، با یک کیوبیت ترانسمون تانتالیوم که به عنوان یک آنسیلا برای تسهیل آماده‌سازی، تثبیت و خواندن حالت عمل می‌کند، میزبانی شد. نکته مهم این است که پروتکل‌ها شامل استراتژی‌های اندازه‌گیری تعمیم‌یافته مناسب برای سیستم‌های کوانتومی چند سطحی بودند که فراتر از اندازه‌گیری‌های سنتی پایه پائولی گسترش می‌یافتند.
یکی از نوآوری‌های اصلی استفاده از یک عامل یادگیری تقویتی (reinforcement learning agent) برای بهینه‌سازی ۴۵ پارامتر آزمایش بود. این روش به عامل هوش مصنوعی اجازه داد تا فیدلیتی حافظه کوانتومی را در چرخه‌های تکرارشونده حداکثر کند، کاری که با مدل‌سازی تحلیلی یا تنظیمات آزمون و خطا عملاً غیرممکن بود. در نتیجه، طول عمر حالات تصحیح‌شده qutrit و ququart به ترتیب ۸۲٪ و ۸۷٪ بیشتر از بهترین پیاده‌سازی‌های بدون تصحیح در همان کاواک بود.
این دستاوردها نه‌تنها با نمونه‌های پیشین تصحیح خطای qubit برابری می‌کند، بلکه در برخی موارد از آن‌ها نیز فراتر می‌رود. همچنین، این نتایج اعتبار فرضیه‌ای را تأیید می‌کند که می‌گوید افزایش بُعد فضای هیلبرت محلی (و نه صرفاً تعداد اجزای فیزیکی) می‌تواند منجر به بهره‌وری بیشتر سخت‌افزار شود. برای مثال، استفاده از quditها می‌تواند تعداد اجزای موردنیاز برای رمزگذاری و پردازش اطلاعات کوانتومی را کاهش دهد، امری که در کاربردهایی مانند شبیه‌سازی کوانتومی، شیمی کوانتومی و بهینه‌سازی اهمیت ویژه‌ای دارد.
مطالعه همچنین به محدودیت‌ها و ملاحظات فیزیکی اشاره دارد. افزایش ابعاد مستلزم آن است که حالت‌های منطقی در فضای فاز، فاصله بیشتری از هم داشته باشند که منجر به تقاضای انرژی بالاتر و افزایش حساسیت به نویز وابسته به انرژی، مانند اتلاف فوتون و dephasing می‌شود. منبع غالب dephasing در این آزمایش، جمعیت حرارتی در کیوبیت ترانسمون آنسیلا شناسایی شد، چالشی که می‌توان با بهبود سیستم‌های کرایوژنیک یا با طراحی سخت‌افزار آنسیلا با ایزوله‌سازی بهتر، آن را کاهش داد.
این پژوهش راه را برای معماری‌های مقاوم به خطای مبتنی بر سیستم‌های چندحالته هموار می‌کند؛ جایی که تکنیک‌هایی مانند تقطیر حالت‌های جادویی (magic state distillation) و سنتز گیت می‌توانند از ساختار غنی‌تر quditها بهره ببرند. از آنجا که حالت‌های رمزگذاری‌شده GKP با پیاده‌سازی‌های گیت موجود برای qubitها سازگارند، امکان ادغام آسان با فناوری‌های ابررسانای کنونی وجود دارد.
در آینده، پژوهشگران قصد دارند روش‌های خود را به حالت‌های entangled qudit گسترش دهند که برای محاسبات تمام‌مقیاس و کدهای پیشرفته‌تر تصحیح خطا ضروری است. همچنین، آن‌ها برنامه دارند مفهومی به نام “تودرتو کردن داخلی” را بررسی کنند، که در آن یک qubit منطقی در یک qudit منطقی رمزگذاری می‌شود تا با استفاده از یک نوسانگر منفرد، لایه‌های حفاظتی درونی فراهم شود. به‌طور کلی، این آزمایش افق جدیدی در QEC گشوده و نشان داده است که سیستم‌های چندحالته نه‌تنها از نظر نظری جذاب‌اند، بلکه اکنون از نظر تجربی نیز به‌عنوان حافظه‌های کوانتومی مقاوم قابل پیاده‌سازی هستند.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/05/15/google-and-yale-team-demonstrates-error-corrected-qudits-that-beat-break-even/?utm_source=resonance-newsletters.beehiiv.com&utm_medium=newsletter&utm_campaign=the-quantum-insider-weekly-u-s-qatar-quantinuum-quantum-classiq-s-series-c-and-more-news&_bhlid=038a9b54ab4758394206aa01bfe383418b8c4558
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-08899-y
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
