گام بلند در مسیر ساخت کامپیوترهای کوانتومی

 
آی‌تی‌من- کامپیوترهای کوانتومی، با امکان حل مسائلی که کامپیوترهای رایج کنونی قادر به حل آنها نیستند، توان و ظرفیت آن را دارند که شیوه استفاده ما را از فناوری تغییر دهند. اما به این منظور، باید نویز در آنها به حداقل برسد.

در توضیح مشکل نویز باید گفت که کامپیوترهای کوانتومی از قوانین خاصی در فیزیک پیروی می‌کنند؛ اما این رایانش کوانتومی موجب ناهمدوسی کوانتومی نیز می‌شود که به آن خطا یا نویز نیز گفته می‌شود.

ناهمدوسی کوانتومی (Quantom decoherence) در واقع از دست دادن همدوسی کوانتومی است. در مکانیک کوانتومی ذرات مانند الکترون توسط یک تابع موج، یک توصیف ریاضی حالت کوانتومی یک سیستم، توصیف می‌شوند؛ طبیعت احتمالی تابع موج باعث به وجود آمدن اثرات کوانتومی مختلف می‌شود. تا زمانی که رابطه قابل تعریف بین فاز و حالت‌های مختلف این سیستم وجود دارد، این سیستم همدوس است. همدوسی خاصیت بنیادی مکانیک کوانتومی و برای عملکرد کامپیوترهای کوانتومی لازم است. اما هنگامی که یک سیستم کوانتومی کاملاً ایزوله نباشد و در تماس با محیط اطراف خود باشد، این همدوسی با زمان از بین می‌رود که به آن ناهمدوسی کوانتومی می‌گویند. به عنوان یک نتیجه از این روند، رفتار کوانتومی مربوطه از بین می‌رود.

مشکل نویز به عنوان چالش کلیدی در ساخت کامپیوترهای کوانتومی کارآمد مطرح است و هر چه تعداد کیوبیت‌ها بالاتر برود، نویز نیز افزایش می‌یابد. به این ترتیب، هر چه سیستم بزرگ‌تر بشود، نویز و خطای آن نیز بالا می‌رود که این مساله، مانع بزرگی در ساخت کامپیوترهای کوانتومی بزرگ و قدرتمند محسوب می‌شود.

برای رفع این مشکل، دانشمندان باید بتوانند چگونگی عملکرد نویز را در یک سیستم کوانتومی درک کنند و تا کنون، این مساله فقط در دستگاه‌های کوچک ممکن بود. اما حالا محققان با انتشار مقاله‌ای در نشریه Nature Physics الگوریتم‌هایی را معرفی کرده‌اند که می‌تواند در کامپیوترهای بزرگ کوانتومی هم کار کند.

این الگوریتم‌ها با موفقیت در IBM Quantum Experienceاستفاده شده است. IBM Quantum Experience پلتفرمی است که محققان می‌توانند در آن از سیستم‌های رایانش کوانتومی آی‌بی‌ام استفاده کنند.

محققان دریافته‌اند که این الگوریتم‌ها می‌توانند با موفقیت، نویز را در یک سیستم شناسایی کنند و مشکلاتی را بیابند که تا کنون قابل شناسایی نبود. در واقع کامپیوترهای کوانتومی باید به دقت کالیبره بشوند تا از به وجود آمدن نویز جلوگیری شود. در عین حال، این کامپیوترها باید قادر به اصلاح نویزها یا خطاهای به وجود آمده باشند.

محققان علوم کوانتومی به این منظور باید بدانند که احتمال بروز نویز در کجاها بیشتر است تا به این ترتیب به بهینه‌سازی اصلاح خطا در مسایل مشخص بپردازند.

الگوریتم‌های انقلابی مورد بحث به محققان امکان می‌دهد که بفهمند چه احتمال وقوع چه تعداد نویز یا خطا وجود دارد و محل بروز آنها کجا خواهد بود. به این ترتیب، می‌توان در آینده دستگاه‌هایی ساخت که فرایند اصلاح خطا را به صورت بهتری به انجام برساند.

محققان در مقاله یاد شده می‌نویسند: این پروتکل، فرصت‌های بی‌شماری برای ساخت ابزارهای نوین تشخیص و کاربردهای عملیاتی در اختیار ما می‌گذارد. به گفته آنان، این الگوریتم به جهات مختلف در ساخت کامپیوترهای کوانتومی بهتر در مدیریت نویز کارآمد است.

این مقاله با عنوان «شناخت کارآمد نویز کوانتومی» در Nature Physics منتشر شده است.