کاهش نرخ خطا در محاسبات کوانتومی توسط حالت‌های جادویی
رایانه‌های کوانتومی با ارائه روشی برای تحت کنترل درآوردن پدیده کوانتومی و استفاده کردن از آن برای انجام اموری که توسط رایانه‌های عادی غیرممکن است جذابیت خاصی پیدا کرده‌اند. اما این رایانه‌ها به همان اندازه که قدرتمند هستند، بسیار ظریف و حساس عمل می‌کنند به طوری که باید در برابر نویز محیط که موجب خطاهای بنیادی می‌شود به شدت محافظت شوند. ساخت رایانه‌های کوانتومی که در برابر نویز مقاومند و یا تحمل خطای بالایی دارند، یکی از بزرگترین چالش‌های پیش روی توسعه این رایانه‌ها است.
به تازگی رویکرد منجر به محاسبات کوانتومی با قابلیت تحمل خطا توسط «حالت‌های جادویی» ممکن شده است. حالت‌های جادویی برای اولین بار در سال 2005 توسط سرگئی براویی و الکسی کیتائو پیشنهاد داده شد. این حالت‌ها در واقع حالت‌های کوانتومی هستند که حاوی سطح قابل قبولی از خطای ناچیزند. به منظور ایجاد حالت‌های جادویی، فیزیکدانان از حالت‌های کوانتومی پر نویز و فرآیندی به نام تقطیر برای تحریک تعداد کمتری از حالت‌های بهبود یافته و دقیق استفاده کردند. این فرآیند هر چند بار که لازم باشد تکرار می‌شود تا زمانی که حالت‌ها به دقت مورد نظر برسند.
تقطیر یک فرآیند منبع تشدیدی است که اکثر سخت افزار‌های یک رایانه کوانتومی را نیاز دارد. در برخی موارد، قبل از اینکه هر گونه محاسبات واقعی بتواند انجام شود، تا 90 درصد از کیوبیت یک رایانه کوانتومی برای ایجاد حالت‌های جادویی باید استفاده شود.
برای حل این مشکل، یانگ لی، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد، به منظور کاهش تعداد مراحل تقطیر مورد نیاز و در نتیجه کاهش هزینه منابع به جستجوی راهی برای به حداقل رساندن نویز در حالت‌های جادویی خام (قبل از هر گونه تقطیر) پرداخت. او در مطالعه خود به یک کشف شگفت آوری دست یافت: حالت‌های جادویی خام می توانند مورد اعتمادتر از عملیاتی باشند که آنها را ایجاد کرده‌اند.
پروتکل لی از مزایای این واقعیت استفاده می‌کند که وقتی فاصله کد کوچک باشد (فاصله کد به تعداد کیوبیت در یک ردیف از شبکه مربوط است)، کیوبیت حساسیت بیشتری نسبت به نویز دارد و زمانی که فاصله کد بزرگ باشد پایدارتر است. پس از مرحله رمزگذاری اولیه، این پروتکل فاصله کد را به منظور کاهش نرخ خطا بزرگ می‌کند.
لی نشان داد که حتی اگر تعداد زیادی عملیات برای ایجاد یک حالت جادویی مفرد مورد نیاز باشد، حالت جادویی خام ایجاد شده توسط روش جدید کمتر از نیمی از بی‌دقتی یک گیت کوانتومی منفرد مورد استفاده برای ایجاد آن را دارد.
روش جدید می‌تواند مزایای قابل توجهی برای محاسبات کوانتومی با قابلیت تحمل خطا در بر داشته باشد. به عنوان مثال در نوعی از حالت کوانتومی جادویی، پروتکل جدید می‌تواند خطای ناشی از نویز را بیشتر از 20 بار در مقایسه با پروتکل‌های قبلی کاهش دهد. به عنوان یک نتیجه، تعداد حالت‌های کوانتومی خام مورد نیاز می‌توانند با مرتبه 15 کاهش داده شوند. این بهبود به معنای تعداد مراحل تقطیر کمتر و کاهش چشمگیر در سخت افزار مورد نیاز برای انجام وظایف مربوط به محاسبات کوانتومی است.
محاسبات کوانتومی
علم محاسبات کوانتوم در اصل، بر مبنای علم مکانیک کوانتوم پایه‌ریزی شده است. در علم محاسبات کوانتومی، کوچکترین واحد اطلاعات، «کیوبیت» نام دارد که مخفف کوانتوم بیت است. تنها تفاوت کیوبیت با بیت در این است که کیوبیت می‌تواند در هر لحظه، تعداد بی‌شماری مقدار مختلف به خود اختصاص دهد و کیوبیت‌ها ظرفیت پردازش، ذخیره و انتقال اطلاعات را افزایش می‌دهند.
رایانه‌های کوانتومی نیز بر اساس همین نظریه طراحی می‌شوند. از نقطه نظر محاسباتی، هیچ تفاوتی بین رایانه شخصی و یک رایانه کوانتومی وجود ندارد. زیرا رایانه‌های کوانتومی نیز بر اساس چهار عمل اصلی یعنی جمع، تفریق، ضرب و تقسیم کار می‌کنند. تنها تفاوت عمده و بارز رایانه‌های کوانتومی در قدرت باورنکردنی آنها در انجام محاسبات گوناگون به شکل موازی و نهفته است.
رایانه‌های کوانتومی از مزایای پدیده‌ای بهره می‌برند که توسط نظریه کوانتوم به نام «برهم‌نهی» و «درهم‌تنیدگی» توصیف می‌شود. به جای حالت‌های صرفا یک و صرفا صفری که در رایانه‌های کوانتومی رایج استفاده می‌شوند، تعداد زیادی از «حالت‌های کوانتومی جمع‌آثاری» ممکن وجود دارند. نیتروژن مرکز تهی نیز قابلیت ثبت اطلاعات را بر پایه حالت مرکز اسپین الکترونی یا هسته را با نوید توسعه محاسبات کوانتومی فراهم می‌کند. اسپین می‌تواند روبه «بالا» یا روبه «پایین» باشد که حالت‌های جمع آثار بالا و پایین را تشکیل می‌دهند و فناوری نوینی برای پردازش اطلاعات ارائه می‌کنند.
No tags for this post.
