روشی جدید برای از بین بردن خطا در کامپیوترهای کوانتومی

در یک پیشرفت هیجان انگیز برای محاسبات کوانتومی، تیمی از محققان به رهبری Caltech با موفقیت یک تکنیک جدید پاک کن کوانتومی (quantum eraser) را برای شناسایی و تصحیح خطاها در سیستم های محاسباتی کوانتومی نشان دادند. این مطالعه که در ژورنال Nature منتشر شده است، توانایی محققان را برای مکان یابی و پاک کردن دقیق خطاهای خاص، که به عنوان خطاهای erasure errors شناخته می شود، بدون ایجاد عوارض بیشتر، نشان می دهد.
 

این تیم بر روی یک پلتفرم محاسباتی کوانتومی متمرکز شد که از آرایه‌هایی از اتم‌های خنثی استفاده می‌کند. با دستکاری اتم‌های منفرد محصور در  tweezer های تولید شده توسط لیزر، محققان به درهم تنیدگی دست یافتند، جنبه‌ای حیاتی از محاسبات کوانتومی که قابلیت‌های محاسباتی برتر آن را ممکن می‌سازد. با این حال، حفظ این حالات کوانتومی ظریف چالش برانگیز است، زیرا ممکن است خطاهایی رخ دهد و درهم تنیدگی را مختل کند.

برای رفع این مشکل، محققان یک سیستم تشخیص خطا طراحی کردند که باعث می‌شود اتم‌های اشتباه در هنگام روشن شدن توسط لیزر فلورسانس شوند. با مشاهده اتم های درخشان، آنها می توانند مکان خطاها را شناسایی کرده و آنها را از محاسبات نهایی حذف کنند یا آنها را از طریق پالس های لیزر اضافی تصحیح کنند.

این تکنیک جدید، بر اساس کارهای نظری قبلی جف تامپسون و همکارانش در دانشگاه پرینستون، به طور قابل توجهی نرخ کلی درهم تنیدگی یا fidelity را در سیستم اتمی ریدبرگ بهبود می بخشد. محققان نرخ درهم تنیدگی قابل توجهی را گزارش کردند، به طوری که از هر 1000 جفت اتم تنها یک اتم در هم تنیده نمی شود. این دستاورد نشان دهنده بهبودی ده برابری نسبت به نتایج قبلی است و بالاترین نرخ درهم تنیدگی مشاهده شده را در این نوع سیستم نشان می دهد.

پیامدهای این تحقیق فراتر از پلت فرم اتم Rydberg خاص است. تکنیک تبدیل پاک‌سازی نشان‌داده‌شده نویدبخش دیگر کیوبیت‌های مبتنی بر ماده است و می‌تواند برای بهبود عملکرد پلت‌فرم‌های محاسباتی کوانتومی مختلف به کار رود. سیستم‌های محاسباتی کوانتومی با مکان‌یابی و آدرس‌دهی مؤثر خطاها می‌توانند به fidelity بالاتری دست یابند و راه را برای رایانه‌های کوانتومی قابل اعتمادتر و مقیاس‌پذیرتر هموار کنند.

یافته‌های این مطالعه گام مهمی به جلو در پیگیری محاسبات کوانتومیِ fault-tolerant  ارائه می‌کند. با پیشرفت‌های مداوم در تکنیک‌های تشخیص و تصحیح خطا، محققان گام‌هایی را در جهت بهره‌برداری از پتانسیل کامل رایانه‌های کوانتومی برمی‌دارند که می‌تواند زمینه‌هایی مانند علم مواد، پزشکی و فیزیک بنیادی را متحول کند.

منبع

 Pascal Scholl et al, Erasure conversion in a high-fidelity Rydberg quantum simulator, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06516-4