نمایش نخستین فرآیند “تصفیه حالت جادویی” بر روی کیوبیت‌های منطقی
عنوان خبر: نمایش نخستین فرآیند “تصفیه حالت جادویی” بر روی کیوبیت‌های منطقی
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی، تصحیح خطای کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 15 ژوئیه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
پژوهشگران QuEra، دانشگاه هاروارد و MIT برای نخستین بار موفق به انجام فرآیند «تصفیه حالت جادویی» به‌طور کامل بر روی کیوبیت‌های منطقی شدند. آنها با استفاده از رایانه کوانتومی Gemini مبتنی بر اتم‌های خنثی ساخت QuEra، کیوبیت‌های منطقی تصحیح شده از خطا ایجاد کرده و یک پروتکل تصفیه ۵ به ۱ را اجرا کردند که در آن، یک حالت جادویی با فیدلیتی بالاتر از حالت‌های اولیه حاصل شد. این آزمایش توانایی سرکوب خطاهای منطقی، انجام موازی عملیات و پیکربندی مجدد دینامیکی کیوبیت‌ها را نشان داد—ویژگی‌هایی حیاتی برای ساخت سامانه‌های مقیاس‌پذیر و مقاوم به خطا. حالت‌های جادویی برای اجرای گیت‌های غیرکلیفورد ضروری‌اند، که اجرای رایانش کوانتومی جهان شمول را ممکن می‌سازند. این دستاورد نشان میدهد که عملیات پیچیده کوانتومی دارای تصحیح خطا اکنون میتوانند به‌طور کامل در لایه‌ی منطقی انجام شوند و گامی کلیدی به‌سوی سامانه‌های کوانتومی کاربردی در مقیاس بزرگ است.
شرح کامل خبر:
تیمی از پژوهشگران دانشگاه هاروارد، مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و شرکت QuEra توانسته‌اند برای نخستین بار، فرایند تصفیه یا همان خالص سازی حالت جادویی (magic state distillation) را به‌طور کامل روی کیوبیت‌های منطقی انجام دهند؛ گامی کلیدی در مسیر تحقق محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا و جهان‌شمول. این دستاورد با استفاده از رایانه کوانتومی Gemini شرکت QuEra محقق شده است؛ پلتفرمی مبتنی بر اتم‌های خنثی که امکان پیکربندی مجدد، مقیاس‌پذیری و کنترل نوری دقیق را فراهم می‌کند.
در رایانش کوانتومی، کیوبیت‌های فیزیکی ذاتاً در معرض خطا هستند. برای مقابله با این، اطلاعات کوانتومی در قالب کیوبیت‌های منطقی کدگذاری می‌شود؛ یعنی گروه‌هایی از کیوبیت‌های فیزیکی که با استفاده از کدهای تصحیح خطای کوانتومی طوری سازمان‌دهی شده‌اند که بتوانند خطاها را شناسایی و اصلاح کنند. اما اکثر این کدها تنها اجازه اجرای مجموعه‌ای محدود از عملیات به‌نام گیت های کلیفورد را می‌دهند. این گیت ها اگرچه پایه بسیاری از مدارهای کوانتومی‌اند، اما به‌تنهایی نمی‌توانند رایانش کوانتومی جهان‌شمول (universal) را محقق کنند، زیرا مطابق قضیه گوتسمن-نیل، مدارهای که فقط از گیت‌های کلیفورد تشکیل شده اند را می‌توان با رایانه‌های کلاسیک شبیه‌سازی کرد و در نتیجه هیچ مزیت کوانتومی حاصل نمی‌شود.
برای عبور از این محدودیت، باید گیت های غیرکلیفورد نیز پیاده‌سازی شوند. رایج‌ترین راه برای این کار، استفاده از حالت‌های ویژه‌ای به نام حالت‌های جادویی است. اما این حالت‌ها در نسخه‌ی خام و اولیه‌شان پر از خطا هستند و باید از طریق تصفیه حالت جادویی، چند نسخه نویزی از آنها را ترکیب کرد تا یک نسخه‌ی با کیفیت‌تر حاصل شود — همانند پالایش نفت خام برای تولید سوخت جت.
نکته نوآورانه در این پژوهش آن است که کل فرایند تصفیه برای نخستین بار در لایه منطقی انجام شده است؛ یعنی با کیوبیت‌هایی که قبلاً توسط تصحیح خطا محافظت شده‌اند، نه کیوبیت‌های فیزیکی. این کار سبب کاهش چشم‌گیر نرخ خطای منطقی و ایمن ماندن اطلاعات کوانتومی در برابر نویز سخت‌افزاری می‌شود؛ شرطی حیاتی برای اجرای مدارهای کوانتومی عمیق و پیچیده.
در این آزمایش، تیم پژوهشی از کدهای رنگی (color code) با فاصله‌های ۳ و ۵ برای ساخت کیوبیت‌های منطقی استفاده کرد و سپس یک پروتکل ۵-به-۱ برای تصفیه حالت جادویی اجرا نمود. حاصل این بود که کیفیت (فیدلیتی) حالت نهایی از هر پنج ورودی بیشتر شد — گواهی تجربی بر کارآمدی فرایند.
این دستاورد بر پایه قابلیت‌های کلیدی سیستم Gemini ممکن شد:
- رمزگذاری همزمان و موازی کیوبیت‌های منطقی
- استفاده از گیت‌های کلیفورد به صورت ترانسورسال (Transversal) که در سطح فیزیکی عملیات را به‌گونه‌ای اعمال می‌کنند که خطاها گسترش نیابند
- استفاده از کیوبیت‌های سندروم برای تشخیص و مدیریت خطا به صورت آنی
- پیکربندی مجدد اتم‌ها در حین اجرای مدار با کمک انبرک‌های نوری، ویژگی خاص معماری اتم خنثی
اهمیت این کار از چند جهت قابل توجه است:
- نشان میدهد کیوبیت‌های منطقی میتوانند حالت‌های جادویی را تولید و استفاده کنند، و بدین ترتیب به جهان‌شمولی دست یابند.
- اثبات می‌کند کاهش خطای منطقی در طول فرآیند تصیه واقعاً ممکن است.
- موازی‌سازی وسیع و اجرای همزمان چندین کیوبیت منطقی را به نمایش می‌گذارد.
- و در نهایت، مقیاس‌پذیری معماری اتم‌های خنثی را برای ساخت پردازنده‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس تأیید می‌کند.
این پژوهش یکی از اجزای اساسی برای رایانش کوانتومی کاربردی و مقاوم به خطا را محقق ساخته و گامی مهم به‌سوی نسل آینده‌ی پردازنده‌های کوانتومی جهان‌شمول محسوب می‌شود.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/07/15/quera-harvard-and-mit-researchers-demonstrate-logical-level-magic-state-distillation-on-a-neutral-atom-quantum-computer/
[2] https://www.livescience.com/technology/computing/scientists-make-magic-state-breakthrough-after-20-years-without-it-quantum-computers-can-never-be-truly-useful
[3] https://www.nature.com/articles/s41586-025-09367-3
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
