اكتشف باحثون من جامعة كورنيل حالة "الزجاج المغزلي الكمي" في الحوسبة الكمومية، مما يوفر رؤى حول تصحيح الأخطاء والكشف عن التعليمات المخفية في الخوارزميات الكمومية، مما قد يؤدي إلى تصنيفات جديدة للحالة الكمومية والتقدم في الحوسبة الكمومية.
على المستوى المجهري، يُظهر زجاج النوافذ مزيجًا غريبًا من الخصائص. ذراته غير منتظمة مثل السائل، ولكن لها صلابة المادة الصلبة؛ عندما يتم تطبيق قوة على ذرة واحدة، فإنها تؤثر على جميع الذرات الأخرى. يستخدم الفيزيائيون هذه الاستعارة لوصف الحالة الكمومية المعروفة باسم "الزجاج المغزلي الكمي"، حيث تظهر البتات الميكانيكية الكمومية (الكيوبتات) في الحواسيب الكمومية كلا من الاضطراب (التي تحتوي على قيم عشوائية على ما يبدو) والصلابة (عندما ينقلب أحد الكيوبتات، كذلك تفعل جميع الكيوبتات الأخرى). اكتشف فريق من الباحثين في جامعة كورنيل عن طريق الصدفة وجود هذه الحالة الكمومية أثناء العمل في مشروع بحثي يهدف إلى زيادة فهم الخوارزميات الكمومية والاستراتيجيات الجديدة ذات الصلة لتصحيح الأخطاء في الحوسبة الكمومية.
قال إريك مولر، أستاذ الفيزياء في كلية الآداب والعلوم بجامعة كورنيل (A&S): "إن قياس موضع الجسيم الكمي يغير زخمه، والعكس صحيح. وبالمثل، بالنسبة للكيوبت، هناك كميات تغير بعضها البعض عند قياسها. لقد وجدنا أن بعض التسلسلات العشوائية لهذه القياسات غير المتوافقة يمكن أن تؤدي إلى تكوين زجاج مغزلي كمي". "أحد الآثار المترتبة على عملنا هو أن أنواعًا معينة من المعلومات محمية تلقائيًا في الخوارزميات الكمومية التي تشترك في الخصائص مع نموذجنا."
تم نشر البحث مؤخرًا في مجلة Physical Review B. المؤلف الأول هو فايبهاف شارما، الحاصل على دكتوراه. طالب في الفيزياء.
تشاومينغ جيان، أستاذ مساعد في الفيزياء، ومؤلف مشارك مع مولر. ويشارك الثلاثة في الأبحاث في مختبر الفيزياء الذرية والحالة الصلبة (LASSP) بجامعة كورنيل. تم دعم هذا البحث بمنحة من صندوق الحدود الجديدة لكلية الآداب والعلوم.
وقال شارما: "نحن نحاول فهم الخصائص العالمية للخوارزميات الكمومية، وهي الخصائص التي تتجاوز أي خوارزمية معينة". "استراتيجيتنا للكشف عن هذه الخصائص العالمية هي دراسة الخوارزميات العشوائية. لقد وجدنا أن فئات معينة من الخوارزميات تؤدي إلى ترتيب "الزجاج المغزلي" الخفي. نحن نبحث الآن عن أشكال أخرى من النظام الخفي ونعتقد أن هذا سيعطينا تصنيفًا جديدًا للحالات الكمومية."
الخوارزمية العشوائية هي تلك التي تتضمن درجة معينة من العشوائية كجزء من الخوارزمية - على سبيل المثال، استخدام أرقام عشوائية لتحديد ما يجب فعله بعد ذلك.
التقدم في تصحيح الخطأ الكمي
يهدف مقترح منحة مولر لعام 2021 بعنوان "تصحيح أخطاء النظام الفرعي الكمي المستقل"، إلى تبسيط بنية الكمبيوتر الكمي من خلال تطوير استراتيجية جديدة لتصحيح أخطاء المعالج الكمي الناجمة عن الضوضاء البيئية - أي شيء مثل الأشعة الكونية أو المجالات المغناطيسية التي تتداخل مع الكيوبتات للكمبيوتر الكمومي، مما يؤدي إلى إتلاف المعلومات.
وقال مولر إن البتات الموجودة في أنظمة الكمبيوتر الكلاسيكية محمية برموز تصحيح الأخطاء؛ يتم نسخ المعلومات بحيث إذا "انقلبت" قليلاً، يمكنك اكتشافها وإصلاح الخطأ. "لكي تعمل الحوسبة الكمومية الآن وفي المستقبل، نحتاج إلى التوصل إلى طرق لحماية الكيوبتات بنفس الطريقة. مفتاح تصحيح الخطأ هو التكرار. إذا أرسلت ثلاث نسخ من البت، يمكنك معرفة ما إذا كان هناك خطأ من خلال مقارنة البتات مع بعضها البعض. نحن نستعير لغة التشفير للحديث عن هذه الاستراتيجية ونطلق على المجموعات المتكررة من البتات اسم "شفرات"."
عندما اكتشف مولر وفريقه ترتيب الزجاج المغزلي، كانوا يعملون على نهج عام لاستخدام كلمات مشفرة متعددة لتمثيل نفس المعلومات. على سبيل المثال، في كود نظام فرعي واحد، يمكن تخزين البت "1" بأربع طرق مختلفة: 111 و100 و101 و001. تعمل درجات الحرية الإضافية في كود النظام الفرعي الكمي على تبسيط عملية اكتشاف الأخطاء وتصحيحها.
وأكد الباحثون أنهم عندما بدأوا هذه الدراسة، لم يكونوا يحاولون ببساطة إنشاء نظام أفضل للحماية من الأخطاء. وبدلاً من ذلك، يقومون بدراسة الخوارزميات العشوائية لفهم الخصائص العامة لجميع هذه الخوارزميات.
وقال مولر: "من المثير للاهتمام أننا وجدنا هياكل غير عادية". "الشيء الأكثر إثارة للدهشة هو وجود نظام الدوران الزجاجي هذا، مما يشير إلى وجود بعض المعلومات الإضافية المخفية التي يجب استخدامها بطريقة ما في الحسابات، على الرغم من أننا لا نعرف كيف بعد."
مرجع: Vaibhav Sharma, Chao-Ming Jian, and Erich J. Mueller, July 31, 2023, Physical Review B, "تناظر النظام الفرعي، وترتيب الزجاج المغزلي، وأهمية القياسات العشوائية في دوائر Beken-Shaw ثنائية الأبعاد."
دوى:10.1103/PhysRevB.108.024205
المصدر المجمع: ScitechDaily