خلاصه خبر:
محققان در سرویس وب آمازون (AWS) تصحیح خطای کوانتومی را با ایجاد یک حافظه کیوبیتی منطقی کارآمد از نظر سخت‌افزاری با استفاده از کَت کیوبیت‌های بوزونیک و کیوبیت‌های ترانسمون ارتقا داده‌اند. این تیم از کَت کیوبیت‌های شرکت Alice and Bob استفاده کرد که اطلاعات را در حالت‌های برهم‌نهی رمزگذاری می‌کنند و به طور طبیعی در برابر خطاهای Bit-flip مقاوم هستند. با این حال، این کیوبیت‌ها هنوز در برابر خطاهای Phase-flip آسیب پذیر هستند. برای رفع این مشکل، محققان یک کَت کُد را، یک کد تصحیح خطای تخصصی، پیاده‌سازی کردند و آن را با یک کد تکرار فاصله 5 برای محافظت بیشتر ترکیب کردند. این رویکرد در مقایسه با روش‌های سنتی از منابع کمتری استفاده میکند و به حداقل نرخ خطای منطقی 1.65 درصد دست یافت که گامی مهم به سوی محاسبات کوانتومی مقیاس پذیر و مقاوم به خطا است.
توضیحات تکمیلی:
محققان با توسعه یک حافظه منطقی کیوبیت مقیاس پذیر و کارآمد سخت افزاری با استفاده از ترکیبی از کیوبیت های گربه بوزونی (cat qubits) و کیوبیت های ترانسمون، گام های مهمی در تصحیح خطای کوانتومی برداشته اند. کامپیوترهای کوانتومی به دلیل ماهیت شکننده‌شان مستعد خطا هستند، برای حل مشکلات پیچیده در زمینه هایی مانند طراحی مواد، شیمی کوانتومی و رمزنگاری به روش های تصحیح خطای قوی نیاز دارند. تصحیح خطای کوانتومی سنتی معمولاً شامل استفاده از تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی برای محافظت از یک کیوبیت منطقی است که سربار (overhead) بالایی ایجاد می کند. این رویکرد جدید وعده می دهد که این سربار را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
در قلب این نوآوری، کیوبیت‌های گربه قرار دارند، نوعی کیوبیت بوزونی که اطلاعات کوانتومی را در برهم‌نهی حالت‌های همدوس در یک نوسان‌گر هارمونیک کوانتومی رمزگذاری میکند. اصطلاح "کیوبیت گربه " یا کَت کیوبیت از آزمایش گربه شرودینگر گرفته شده است، که در آن یک گربه به طور همزمان زنده و مرده است که نشان دهنده اصل برهم نهی کوانتومی است. کَت کیوبیت‌ها ذاتاً دارای نویز بایاس هستند، به این معنی که به طور طبیعی خطاهای bit-flip را سرکوب می‌کنند .با این حال، آنها در برابر خطاهای phase-flip آسیب پذیر هستند. برای محافظت در برابر خطاهای تغییر فاز، آنها با کد گربه یا کَت کد ترکیب می شوند.
کَت کد یک کد تصحیح خطای کوانتومی است که از خواص کیوبیت های گربه برای محافظت در برابر خطاها استفاده می کند. برخلاف روش‌های سنتی تصحیح خطای کوانتومی که اطلاعات را در حالت‌های باینری کیوبیت‌های فیزیکی رمزگذاری می‌کنند، کدهای cat از برهم‌نهی‌های حالت‌های منسجم استفاده می‌کنند که باعث می‌شود در برابر انواع خاصی از نویز، به‌ویژه خطاهای bit-flip ، انعطاف‌پذیرتر شوند. این سرکوب خطای داخلی نیاز به تصحیح خطای پیچیده را کاهش می‌دهد و کدهای cat را از نظر سخت‌افزاری کارآمدتر میکند.
در این آزمایش، محققان یک طرح تصحیح خطای پیوسته را با ترکیب کَت کیوبیت‌ها با یک کد تکرار (repetition code) اجرا کردند. آنها از یک کد تکرار فاصله 5 استفاده کردند، به این معنی که کیوبیت منطقی با استفاده از پنج کیوبیت فیزیکی کدگذاری شد. این امر با افزایش فاصله کد، نرخ خطای منطقی phase-flip را کاهش داد و به حداقل نرخ خطای منطقی تقریباً 1.65 درصد برای کد فاصله 5 رسید. این مجموعه شامل پنج کیوبیت گربه و چهار کیوبیت ترانسمون فرعی برای اندازه گیری سندرم بود که یک حافظه کیوبیت منطقی را تشکیل می داد که به طور موثر خطاها را تصحیح می کرد.
خدمات وب آمازون (AWS) این دستاورد را به عنوان یک گام مهم رو به جلو برجسته کرده است که امکان سنجی روش تصحیح خطای کارآمد سخت افزاری را نشان می دهد. این توسعه، سربار مورد نیاز برای تصحیح خطای کوانتومی را کاهش می دهد و محاسبات کوانتومی را کاربردی تر و مقیاس پذیرتر می کند. این کار با سرکوب موثر خطاهای bit-flip در سطح فیزیکی و تصحیح خطاهای phase-flip با سربار نسبتاً کم، راه را برای سیستم‌های محاسباتی کوانتومی قوی‌تر و کارآمدتر هموار میکند. این ما را به درک محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا، که برای کاربردهای شیمی کوانتومی، طراحی مواد و رمزنگاری ضروری است، نزدیک‌تر میکند.
منبع
https://arxiv.org/abs/2409.13025
https://www.linkedin.com/posts/alice-bob_google-aws-quantum-activity-7243996937312514048-zvDX?utm_source=share&utm_medium=member_desktop
