پیشرفت بزرگ: محاسبات کوانتومی در سیلیکون برای اولین بار یک آستانه حیاتی را می شکند.

تحقیقات UNSW سیدنی راه را برای پردازنده‌های کوانتومی بزرگ مبتنی بر سیلیکون، برای ساخت و کاربرد در دنیای واقعی هموار می‌کند. محققان استرالیایی ثابت کرده‌اند که محاسبات کوانتومی تقریباً بدون خطا امکان‌پذیر است و راه را برای ساخت دستگاه‌های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون و سازگار با فناوری فعلی تولید نیمه‌رسانا هموار می‌کند. پروفسور آندریا ترش(مدیر پروژه) از UNSW می گوید" انتشار امروز در مجله نیچر نشان می دهد عملیات ما 99 درصد بدون خطا بود،" کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده از مواد خام مشابه تراشه‌های کامپیوتری استاندارد، نوید آشکاری دارند، اما تاکنون با نرخ خطای بالایی دست و پنجه نرم کرده‌اند. اما به نظر می‌رسد پس از تحقیقات جدید که نشان داد کیوبیت ‌های سیلیکونی برای اجرای یک کد تصحیح خطای عمومی و مشهور به اندازه کافی دقیق هستند، این وضعیت تغییر خواهد کرد. رایانه‌های کوانتومی که امروزه همه سرفصل‌ها را به خود اختصاص می‌دهند، معمولاً با استفاده از کیوبیت‌های ابررسانا، مانند رایانه‌های Google و IBM، یا یون‌های به دام‌افتاده، مانند رایانه‌های IonQ و Honeywell ساخته می‌شوند. اما علی‌رغم شاهکارهای چشمگیرشان، حجم زیادی را اشغال می‌کنند و باید به سختی توسط برخی از درخشان‌ترین ذهن‌های جهان ساخته شوند. به همین دلیل است که دیگران مشتاق هستند تا از پیشرفت های کوچک سازی و ساخت استفاده کنند. آن‌ها با هدف سازگاری با تراشه های کامپیوتری معمولی، پردازنده های کوانتومی را به کمک سیلیکون می‌سازند. سال‌هاست که تحقیقات در این زمینه در حال انجام است و این مسیری است که اینتل در مسابقه کوانتومی در پیش گرفته است. اما علیرغم پیشرفت، کیوبیت‌های سیلیکونی با نرخ خطای بالایی مواجه شده‌اند که سودمندی آنها را محدود کرده است. ماهیت ظریف حالت‌های کوانتومی به این معنی است که خطاها برای همه این فناوری‌ها یک مشکل هستند. برای رسیدن هر یک از آنها به مقیاس قابل توجه، طرح‌ها و کدهای تصحیح خطا مورد نیاز است. اما این طرح‌ها تنها زمانی کار می‌کنند که نرخ خطا به اندازه کافی پایین باشد. در اصل، شما باید بتوانید سریعتر از آنچه به نظر می رسد، خطاها را تصحیح کنید. امیدوارکننده‌ترین خانواده طرح‌های تصحیح خطا امروزه به‌عنوان «کدهای سطحی» شناخته می‌شوند و برای کارکرد با دقت بالای 99 درصد، به عملیات روی کیوبیت یا بین آن‌ها نیاز دارند. این آستانه دقت مدت‌ها بود که از کیوبیت‌های سیلیکونی دوری می‌کرد، اما در آخرین شماره مجله نیچر، سه گروه جداگانه از شکستن این آستانه حیاتی خبر می‌دهند. دو مقاله اول از محققان RIKEN در ژاپن و QuTech، همکاری بین دانشگاه صنعتی دلفت و سازمان تحقیقات علمی کاربردی هلند، از نقاط کوانتومی برای کیوبیت ها استفاده کردند. اینها تله های کوچکی هستند که از نیمه هادی‌هایی ساخته شده‌اند که یک الکترون را در خود جای می‌دهند. اطلاعات را می توان با دستکاری اسپین الکترون ها، که یکی از ویژگی‌های ذاتی ذرات بنیادی است، در کیوبیت ها رمزگذاری کرد. کلید پیشرفت هر دو گروه در درجه اول به مهندسی دقیق کیوبیت‌ها و سیستم‌های کنترل مربوط می‌شد. اما گروه QuTech همچنین از ابزار تشخیصی توسعه یافته توسط محققان در آزمایشگاه ملی Sandia برای اشکال‌زدایی و تنظیم دقیق سیستم خود استفاده کرد، در حالی که تیم RIKEN کشف کرد که افزایش سرعت عملیات، فیدلیتی(fidelity) را افزایش می دهد. گروه سوم از دانشگاه نیو ساوت ولز رویکردی کمی متفاوت در پیش گرفتند و از اتم های فسفر که در شبکه سیلیکونی جاسازی شده بودند به عنوان کیوبیت خود استفاده کردند. این اتم‌ها می‌توانند حالت کوانتومی خود را در مقایسه با اکثر کیوبیت‌های دیگر برای زمان‌های بسیار طولانی حفظ کنند، اما هزینه این کار این است که واداشتن آنها به تعامل و برهمکنش سخت است. راه حل این گروه این بود که دو تا از این اتم های فسفر را با یک الکترون درهم‌تنیده کند که آنها را قادر می سازد با یکدیگر برهم‌کنش کنند. هر سه گروه قادر به دستیابی به فیدلیتی(میزان شباهت حالت اولیه و نهایی) بالای 99 درصد برای عملیات تک کیوبیت و دو کیوبیت بودند که از آستانه تصحیح خطا عبور می کند. البته با این وجود، آنها هنوز تا ساختن یک پردازنده کوانتومی مقاوم به خطا از سیلیکون فاصله دارند. دستیابی به عملیات کیوبیت با فیدلیتی بالا تنها یکی از الزامات تصحیح خطای موثر است. دیگری داشتن تعداد زیادی کیوبیت کمکی است که می توان به این کار اختصاص داد، در حالی که بقیه بر روی هر مشکلی که پردازنده را درگیر می کند تمرکز می‌کنند. همانطور که یک تحلیل همراه در Nature اشاره می‌کند، افزودن کیوبیت‌های بیشتر به این سیستم‌ها مطمئناً همه چیز را پیچیده می‌کند و حفظ همان فیدلیتی در سیستم‌های بزرگ‌تر دشوار خواهد بود. بنابراین یافتن راه هایی برای اتصال کیوبیت‌ها در سیستم‌های بزرگ نیز یک چالش خواهد بود. با این حال، وعده ساخت رایانه‌های کوانتومی فشرده با استفاده از همان فناوری آزمایش شده و واقعی رایانه‌های موجود، نشان می‌دهد که اینها مشکلاتی هستند که ارزش تلاش برای حل را دارند.

لینک خبر: https://www.google.com/amp/s/singularityhub.com/2022/01/21/silicon-quantum-computing-achieves-99-percent-accuracy-for-the-first-time/%3famp=1