پیشرفت چشمگیر در تشخیص خطا برای محاسبات کوانتومی

محققان دانشگاه پرینستون به رهبری جف تامپسون با توسعه تکنیکی که اصلاح خطاها در این سیستم ها را تا 10 برابر آسان تر می کند، پیشرفت چشمگیری در زمینه محاسبات کوانتومی داشته اند. این پیشرفت پتانسیل تسریع پیشرفت به سمت ساخت کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ را دارد که قادر به مقابله با مشکلات پیچیده محاسباتی هستند.

در تحقیقات محاسبات کوانتومی سنتی، تمرکز اولیه بر کاهش احتمال وقوع خطا در وهله اول بوده است. با این حال، حتی با پیشرفت‌های فناوری کیوبیت، خطاها اجتناب‌ناپذیر هستند و رسیدگی به آن‌ها برای توسعه رایانه‌های کوانتومی مقاوم به خطا بسیار مهم است. چالش در شناسایی زمان و مکان وقوع خطا در کیوبیت ها و تصحیح کارآمد آنها وجود دارد.

تیم دانشگاه پرینستون با تمرکز بر شناسایی خطاها  به صورت آنی (real time)، رویکرد متفاوتی در پیش گرفته است. با استفاده از سیستمی مبتنی بر اتم‌های ایتربیوم خنثی، محققان توانستند خطاها و مکان‌های آنها را بدون آسیب بیشتر به کیوبیت‌ها شناسایی کنند. این یک تفاوت قابل توجه از روش های سنتی بررسی خطا است که اغلب خطاهای اضافی را در حین فرآیند ایجاد می کنند.

یکی از جنبه های کلیدی کار آنها استفاده از "خطاهای پاک کردن"  (erasure errors) به عنوان یک مدل خطای ساختاریافته است. erasure errors، که به طور گسترده در کیوبیت های مبتنی بر نور مورد مطالعه قرار گرفته اند، ساده تر از خطاهای مکانی ناشناخته (unknown location errors) اصلاح می شوند. محققان مفهوم erasure errors را برای اولین بار با موفقیت در کیوبیت‌های مبتنی بر ماده به کار بردند. این تیم با استفاده از ویژگی‌های منحصر به فرد اسپین هسته‌ای یک حالت شبه پایدار با عمر طولانی در اتم‌های ایتربیوم، قادر به شناسایی و تشخیص خطاها بدون به خطر انداختن یکپارچگی کیوبیت‌ها بود.

در تنظیمات آزمایشی خود، محققان از آرایه ای از 10 کیوبیت استفاده کردند و عملیات مختلفی را بر روی هر کیوبیت و جفت کیوبیت انجام دادند. آنها به نرخ خطای بسیار پایینی دست یافتند . تک کیوبیت ها نرخ خطای 0.1٪ در هر عملیات را نشان دادند، در حالی که نرخ خطا برای جفت کیوبیت ها کمی بالاتر از آن و برابر با و 2٪ در هر عملیات بود.

قابل توجه ترین جنبه کار آنها توانایی تبدیل خطاها به erasure errors با استفاده از روش های تشخیص دقیق است. خطاهای موجود در کیوبیت ها باعث می شود که آنها در طول محاسبات فلاش نوری ساطع کنند و آنها را از کیوبیت های بدون خطا که تحت تأثیر قرار نگرفته اند متمایز می کند. محققان با شناسایی و تبدیل خطاها به erasure errors، نرخ خطا را در فضای محاسباتی به شدت کاهش دادند. احتمال خطای القا شده در کیوبیت‌های باقی‌مانده کمتر از (5-)^10 بود که نشان‌دهنده اثربخشی رویکرد آنها است.

علاوه بر این، محققان دریافتند که تشخیص خطا به میزان قابل توجهی میزان خطاها را در سیستم افزایش نمی دهد. آنها نشان دادند که فرآیند بررسی خطا تنها نرخ خطا را کمتر از 0.001 درصد افزایش داد. این یافته برای اجرای عملی تکنیک‌های تصحیح خطا بسیار مهم است، زیرا فرآیند بررسی خطا نباید خطاهای اضافی را ایجاد کند که مشکل را پیچیده‌تر کند.

بر اساس نتایج آنها، تیم بر این باور است که با مهندسی و بهینه سازی بیشتر، نزدیک به 98 درصد از خطاهای رایانه های کوانتومی را می توان با استفاده از رویکرد آنها شناسایی کرد. این می تواند تأثیر قابل توجهی بر هزینه های محاسباتی مرتبط با تصحیح خطا داشته باشد و به طور بالقوه آنها را با یک مرتبه بزرگی یا بیشتر کاهش دهد.

پیامدهای این تحقیق فراتر از سیستم خاص اتم های ایتربیوم خنثی است. گروه‌های تحقیقاتی دیگر، از جمله گروه‌های خدمات وب آمازون و دانشگاه ییل، قبلاً کاوش در کاربرد این معماری جدید تشخیص خطا را برای انواع مختلف کیوبیت‌ها، مانند کیوبیت‌های ابررسانا، آغاز کرده‌اند. این نشان دهنده سازگاری گسترده و قابلیت انتقال بالقوه این تکنیک به پلتفرم های محاسباتی کوانتومی متنوع است.

منبع

More information: Jeff Thompson, High-fidelity gates and mid-circuit erasure conversion in an atomic qubit, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06438-1. www.nature.com/articles/s41586-023-06438-1