در یک پیشرفت که می‌تواند به رفع یکی از گلوگاه‌های اصلی رایانش کوانتومی عملی کمک کند، گوگل اعلام کرد که پردازنده ویلو آن کاهش ۴۰ برابری خطا را در حین آماده‌سازی حالت‌های کوانتومی تخصصی نشان داده است.
این تکنیک که «پرورش حالت جادویی» نامیده می‌شود، با تولید حالت‌های کوانتومی بسیار دقیق مورد نیاز برای انجام محاسبات پیچیده، به وفاداری منطقی ۹۹.۹۹ درصد دست یافت. چنین حالت‌هایی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند و دارای تصحیح خطا ضروری هستند.
با این حال، تولید این حالت‌های جادویی از مدت‌ها پیش یک چالش بزرگ بوده است. اگرچه این حالت‌ها برای انجام محاسبات کوانتومی پیچیده ضروری هستند، اما ایجاد آن‌ها با نرخ خطای به‌اندازه پایین، به منابع محاسباتی عظیمی نیاز دارد. برخی تخمین‌ها نشان می‌دهد که تا ۹۵ درصد ظرفیت یک کامپیوتر کوانتومی ممکن است صرف تولید این حالت‌ها شود و فضای کمی برای محاسبات واقعی باقی بماند.
این مسئله با این واقعیت که هر حالت جادویی تنها یک بار قابل استفاده است، پیچیده‌تر نیز می‌شود؛ به این معنی که کامپیوترهای کوانتومی باید دائماً حالت‌های جدیدی را برای انجام عملیات تولید کنند.
آخرین آزمایش گوگل روشی را نشان می‌دهد که می‌تواند به کاهش این بار منابع کمک کند.
فیلتر کردن خطاهای کوانتومی
در سال ۲۰۲۴، پژوهشگران گوگل کوانتوم ای‌آی شامل کریگ گیدنی، نوح شاتی و کودی جونز، تکنیک پرورش حالت جادویی را با صیقل دادن یک رویکرد نظری قبلی توسعه دادند.
این روش مانند یک فیلتر عمل می‌کند. پژوهشگران یک حالت کوانتومی حاوی خطا را وارد منطقه کوچکی از پردازنده کرده و مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌های هماهنگ و دقیق را برای شناسایی مشکلات انجام می‌دهند.
تلاش‌هایی که در این بررسی‌ها شکست می‌خورند حذف می‌شوند، در حالی که تلاش‌های موفق، حالت‌های کوانتومی بسیار پاک‌تری تولید می‌کنند. سپس این حالت‌ها می‌توانند به شکل بزرگ‌تری گسترش یابند که برای عملیات کوانتومی پیچیده‌تر مناسب باشد.
اگرچه این رویکرد در تئوری امیدوارکننده بود، اما نمایش آن روی سخت‌افزار کوانتومی واقعی نیازمند چندین بهبود مهندسی بود.
در طول آزمایش‌های اولیه، اما روزنفلد، پژوهشگر گوگل، با نتایج اندازه‌گیری غیرمنتظره مواجه شد. پس از ماه‌ها آزمون و شبیه‌سازی، تیم مشکل را به نویز ناشی از لغزش تجهیزات الکتریکی و تغییرات دما در آزمایشگاه ردیابی کرد.
این تداخل بر دقت روش اندازه‌گیری موجود تیم تأثیر می‌گذاشت. پژوهشگران با بهبود کنترل‌های پردازنده و توسعه یک تکنیک جدید سنجش که از خود فرآیند پرورش برای ارزیابی نتایج استفاده می‌کرد، پاسخ دادند.
این تغییرات به پردازنده ویلو کمک کرد تا در مقایسه با حالت‌های کوانتومی آماده‌شده بدون پرورش، کاهش ۴۰ برابری خطا را ثبت کند.
آزمایش همچنین حالت‌های T منطقی، نوع خاصی از حالت جادویی، را با وفاداری گزارش‌شده ۹۹.۹۹ درصد تولید کرد.
مقیاس‌پذیری همچنان چالش اصلی است
فراتر از کاهش خطا، پژوهشگران گوگل نشان دادند که حالت‌های کوانتومی تصفیه‌شده می‌توانند بین دو روش مختلف تصحیح خطا منتقل شوند.
تیم حالت‌ها را از کد رنگی فاصله ۳ به کد سطحی فاصله ۵ منتقل کرد. این‌ها دو روش سازماندهی اطلاعات کوانتومی برای شناسایی و اصلاح خطا هستند، که در آن «فاصله» نشان‌دهنده سطح محافظت کد در برابر خطاهای خاص است.
این فرآیند که «پیوند» (grafting) نامیده می‌شود، نشان داد که حالت‌های به‌دقت آماده‌شده می‌توانند انتقال بین این دو روش را روی سخت‌افزار واقعی تحمل کنند.
این نتیجه مهم است زیرا کامپیوترهای کوانتومی آینده ممکن است برای انجام محاسبات مطمئن با محدود کردن الزامات سخت‌افزاری، نیاز به ترکیب تکنیک‌های مختلف تصحیح خطا داشته باشند.
با این حال، این نمایش به این معنا نیست که گوگل گلوگاه حالت جادویی را از بین برده یا یک کامپیوتر کوانتومی عملی و تحمل‌کننده خطا ساخته است.
شرکت اذعان داشت که قبل از حمایت از کاربردهای مفید کوانتومی، پرورش هنوز باید در مقیاس بسیار بزرگ‌تری اثبات شود.
این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.