خلاصه خبر:
شرکت IBM با توسعه کد تصحیح کننده خطای کوانتومی کارآمد، پیشرفت چشمگیری در محاسبات کوانتومی داشته است. این کد که در Nature منتشر شده ، به عنوان gross code شناخته میشود و تقریباً ده برابر کارآمدتر از روش‌های قبلی است. تصحیح خطای کوانتومی برای الگوریتم‌های مقیاس بزرگ بسیار مهم است. این کد هزینه‌های overhead را کاهش داده و تصحیح خطای fault-tolerant را امکان‌پذیر میسازد. این کد برای مدل استاندارد نویز مبتنی بر مدار، به آستانه خطای 0.7 % دست یافته، که برابر با همان کدی است که برای دو دهه پیشرو بوده است. این gross code با استفاده از 288 کیوبیت فیزیکی، 12 کیوبیت منطقی را در نزدیک به یک میلیون چرخه سندروم حفظ میکند. این پیشرفت ما را به اجرای مدارهای کوانتومی با میلیاردها گیت برروی سخت‌افزار کیوبیت ترانسمون ابررسانا نزدیک‌کرده و پتانسیل کامل محاسبات کوانتومی را فراهم میکند.
توضیحات تکمیلی:
محققان IBM با توسعه یک کد تصحیح کننده خطای کوانتومی بسیار کارآمد، به پیشرفت قابل توجهی در زمینه محاسبات کوانتومی دست یافته اند. این یافته ها که روی جلد مجله علمی معتبر Nature منتشر شده است، نقطه عطف مهمی در تحقیقات محاسبات کوانتومی است.
تصحیح خطای کوانتومی نقشی حیاتی در کاهش خطاهای ذاتی در سیستم‌های کوانتومی ایفا میکند و امکان اجرای الگوریتم‌های مقیاس بزرگ را در رایانه‌های کوانتومی فراهم میکند. کد تصحیح کننده خطای کوانتومی جدید معرفی شده که به " gross code" معروف است، از نظر کارایی تقریباً ده برابر از روش های قبلی پیشی می گیرد. این کد امکانات جدیدی را برای تصحیح خطای عملی و مقیاس پذیر در سیستم های کوانتومی باز می کند.
محققان آی‌بی‌ام در تلاش بوده‌اند تا ابزار محاسبات کوانتومی را گسترش دهند تا الگوریتم‌هایی را شامل شود که سرعت‌های ثابت شده ریاضی را نسبت به روش‌های کلاسیک ارائه می‌کنند. با این حال، این الگوریتم‌ها نیازمند تنظیم دقیق مدارهای کوانتومی حاوی صدها میلیون تا میلیاردها گیت هستند. برای دستیابی به تصحیح خطا، اطلاعات کوانتومی باید در تعداد بیشتری از کیوبیت‌ها از آنچه معمولاً مورد نیاز است، رمزگذاری شود. تا به حال، دستیابی به تصحیح خطای تحمل پذیر خطا یا همان fault-tolerant error correction در مقیاس یک میلیون کیوبیت فیزیکی یا بیشتر یک چالش مهم بوده است.
در مقاله پیشگامانه خود، محققان یک پروتکل تصحیح خطای کوانتومی end-to-end را بر اساس خانواده ای از کدهای بررسی برابری با چگالی کم ارائه کردند. این پروتکل اجرای حافظه مقاوم در برابر خطا را امکان پذیر می کند و آستانه خطای 0.7% را برای مدل استاندارد نویز مبتنی بر مدار بدست می آورد. قابل توجه است، این آستانه خطا با surface code تثبیت شده، که پیشروترین کد تصحیح خطای کوانتومی در دو دهه گذشته بوده است، برابری می کند.
چرخه اندازه‌گیری سندرم برای یک کد در خانواده پیشنهادی به n کیوبیت کمکی و یک مدار با عمق 8، متشکل از گیت‌های CNOT، مقداردهی اولیه کیوبیت و اندازه‌گیری نیاز دارد. اتصال کیوبیت مورد نیاز از یک گراف درجه 6 متشکل از دو زیرگراف مسطح با لبه جدا شده پیروی می کند. قابل ذکر است، کد معرفی شده (gross code) حفظ 12 کیوبیت منطقی را برای نزدیک به 1 میلیون چرخه سندرم، با استفاده از مجموع 288 کیوبیت فیزیکی، با فرض نرخ خطای فیزیکی 0.1٪ نشان می دهد. در مقابل، دستیابی به یک عملکرد مشابه با surface code به حدود 3000 کیوبیت فیزیکی نیاز دارد!
توسعه gross code نشان‌دهنده گامی مهم در جهت رسیدگی مؤثر به چالش‌های تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی است. overheadُِِِِ پایین کد از نظر کیوبیت های فیزیکی، حافظه کوانتومی مقاوم به خطا را در دسترس پردازنده های کوانتومی قرار می دهد. یافته های تحقیقاتی IBM مسیر روشنی را برای اجرای مدارهای کوانتومی با میلیاردها گیت یا بیشتر بر روی سخت افزار کیوبیت ترانسمون ابررسانا فراهم می کند.
این پیشرفت‌ها در تصحیح خطای کوانتومی ما را به درک کامل پتانسیل رایانه‌های کوانتومی و استخراج ارزش تجاری ملموس از این سیستم‌ها نزدیک‌تر میکند. در حالی که حوزه تصحیح خطا همچنان چالش‌هایی را ایجاد میکند، gross code معرفی شده، یک راه‌حل امیدوارکننده و یک بلوک ساختمانی حیاتی برای آینده محاسبات کوانتومی است.
منبع
Bravyi, S., Cross, A.W., Gambetta, J.M. et al. High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory. Nature 627, 778–782 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07107-7
برای دیدن لینک خبر مرتبط در بلاگ IBM اینجا را کلیک کنید.
