کوانتوم ران

اعتبار تصویر:

iStock

کامپیوترهای کوانتومی خود تعمیر شونده: بدون خطا و تحمل خطا

محققان به دنبال راه‌هایی برای ایجاد سیستم‌های کوانتومی بدون خطا و تحمل‌پذیر خطا برای ساخت نسل بعدی فناوری‌ها هستند.

نویسنده:
نام نویسنده
آینده نگاری کوانتوم ران
فوریه 14، 2023

خلاصه بینش

محاسبات کوانتومی نشان دهنده یک تغییر پارادایم در پردازش کامپیوتری است. این سیستم ها پتانسیل حل محاسبات پیچیده را در عرض چند دقیقه دارند که انجام آن برای رایانه های کلاسیک سال ها و گاهی قرن ها طول می کشد. با این حال، اولین قدم برای فعال کردن پتانسیل کامل فناوری‌های کوانتومی، اطمینان از اینکه آنها می‌توانند خروجی‌های خود را تعمیر کنند، است.

زمینه محاسبات کوانتومی خود ترمیم شونده

در سال 2019، تراشه Google Sycamore، حاوی 54 کیوبیت، توانست محاسبه‌ای را در 200 ثانیه انجام دهد که به طور معمول برای یک کامپیوتر کلاسیک 10,000 سال طول می‌کشد. این دستاورد کاتالیزور برتری کوانتومی گوگل بود و به عنوان یک پیشرفت بزرگ در محاسبات کوانتومی به رسمیت شناخته شد. متعاقباً، این امر باعث تحقیقات و پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه شده است.

در سال 2021، Sycamore با نشان دادن اینکه می تواند خطاهای محاسباتی را برطرف کند، گام دیگری به جلو برداشت. با این حال، خود فرآیند پس از آن خطاهای جدیدی را معرفی کرد. یک مشکل معمول در محاسبات کوانتومی این است که میزان دقت محاسبات آنها در مقایسه با سیستم های کلاسیک هنوز وجود ندارد.

رایانه‌هایی که از بیت‌ها (ارقام دودویی، که کوچک‌ترین واحد داده‌های رایانه هستند) با دو حالت ممکن (0 و 1) برای ذخیره داده‌ها استفاده می‌کنند، به عنوان یک ویژگی استاندارد به تصحیح خطا مجهز هستند. وقتی یک بیت به جای 0 1 می شود یا بالعکس، این نوع اشتباه قابل تشخیص و اصلاح است.

چالش در محاسبات کوانتومی پیچیده تر است زیرا هر بیت کوانتومی یا کیوبیت به طور همزمان در حالت 0 و 1 وجود دارد. اگر سعی کنید مقدار آنها را اندازه گیری کنید، داده ها از بین می روند. یک راه حل بالقوه طولانی مدت، گروه بندی بسیاری از کیوبیت های فیزیکی در یک «کیوبیت منطقی» (کیوبیت هایی که توسط الگوریتم های کوانتومی کنترل می شوند) بوده است. اگرچه کیوبیت‌های منطقی قبلاً وجود داشته‌اند، اما از آنها برای تصحیح خطا استفاده نمی‌شود.

تاثیر مخرب

چندین موسسه تحقیقاتی و آزمایشگاه‌های هوش مصنوعی در حال بررسی چگونگی ساخت کیوبیت‌های منطقی هستند که می‌توانند خود اصلاح شوند. به عنوان مثال، دانشگاه دوک مستقر در ایالات متحده و مؤسسه کوانتومی مشترک یک کیوبیت منطقی ایجاد کردند که به عنوان یک واحد واحد در سال 2021 عمل می کند. با استناد به آن بر اساس کد تصحیح خطای کوانتومی، می توان خطاها را به راحتی شناسایی و اصلاح کرد. علاوه بر این، تیم کیوبیت را مقاوم به خطا کرد تا هرگونه اثرات منفی ناشی از خطاهای گفته شده را در بر بگیرد. این نتیجه اولین باری بود که نشان داده شد که یک کیوبیت منطقی قابل اعتمادتر از هر مرحله مورد نیاز دیگر در ایجاد آن است.

با استفاده از سیستم تله یونی دانشگاه مریلند، این تیم توانست تا 32 اتم منفرد را با لیزر قبل از تعلیق آنها بر روی الکترودهای یک تراشه خنک کند. با دستکاری هر اتم با لیزر، آنها توانستند از آن به عنوان کیوبیت استفاده کنند. محققان نشان داده‌اند که طرح‌های نوآورانه ممکن است یک روز محاسبات کوانتومی را از وضعیت فعلی خطاهای آن رها کنند. کیوبیت‌های منطقی تحمل‌پذیر خطا می‌توانند نقص‌های کیوبیت‌های معاصر را برطرف کنند و می‌توانند ستون فقرات رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد برای برنامه‌های کاربردی در دنیای واقعی باشند.

بدون کامپیوترهای کوانتومی خود اصلاح یا خود تعمیر شونده، ساختن سیستم‌های هوش مصنوعی (AI) دقیق، شفاف و اخلاقی غیرممکن خواهد بود. این الگوریتم‌ها به مقادیر زیادی داده و قدرت محاسباتی نیاز دارند تا پتانسیل خود را برآورده کنند، از جمله ساخت وسایل نقلیه خودران ایمن و دوقلوهای دیجیتالی که می‌توانند از دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT) پشتیبانی کنند.

مفاهیم محاسبات کوانتومی خود ترمیم شونده

پیامدهای گسترده‌تر سرمایه‌گذاری در محاسبات کوانتومی خود ترمیم‌شونده ممکن است شامل موارد زیر باشد:

توسعه سیستم‌های کوانتومی که می‌توانند حجم بالاتری از داده‌ها را پردازش کنند و در عین حال اشتباهات را در زمان واقعی تشخیص دهند.
محققان در حال توسعه سیستم‌های کوانتومی مستقلی هستند که نه تنها می‌توانند خود را تعمیر کنند، بلکه می‌توانند خودآزمایی کنند.
افزایش بودجه در تحقیقات کوانتومی و توسعه ریزتراشه برای ایجاد رایانه هایی که می توانند میلیاردها اطلاعات را پردازش کنند اما به انرژی کمتری نیاز دارند.
رایانه‌های کوانتومی که می‌توانند فرآیندهای پیچیده‌تر، از جمله شبکه‌های ترافیکی و کارخانه‌های کاملاً خودکار را با اطمینان پشتیبانی کنند.
کاربرد کامل صنعتی محاسبات کوانتومی در تمام بخش ها. این سناریو تنها زمانی امکان‌پذیر خواهد شد که شرکت‌ها به اندازه کافی به دقت خروجی‌های محاسبات کوانتومی برای هدایت تصمیم‌گیری یا اجرای سیستم‌های با ارزش بالا اطمینان داشته باشند.