قام الباحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بتطوير ممحاة كمية لتصحيح أخطاء "المحو" في أنظمة الحوسبة الكمومية. تتضمن هذه التقنية معالجة ذرات الأرض القلوية المحايدة في "ملقط" ضوء الليزر الذي يمكنه اكتشاف الأخطاء وتصحيحها من خلال التألق. يزيد هذا الابتكار من معدل تشابك النظام الذري المحايد لريدبيرج بمقدار عشرة أضعاف، مما يمثل خطوة رئيسية نحو تحسين موثوقية وقابلية التوسع في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
من المتوقع أن تُحدث أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية ثورة في حل المشكلات في مجموعة متنوعة من المجالات، مثل إنشاء مواد مستدامة، وتطوير أدوية جديدة، والكشف عن القضايا المعقدة في الفيزياء الأساسية. ومع ذلك، فإن هذه الأنظمة الكمومية الرائدة حاليًا أكثر عرضة للخطأ من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي نستخدمها اليوم. ألن يكون جميلاً أن يتمكن الباحثون من التوصل إلى ممحاة كمومية خاصة ومحو الأخطاء؟
نجح الباحثون للمرة الأولى في تحديد وإزالة أخطاء "المحو".
كان فريق من الباحثين بقيادة معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أول من قام بإظهار الممحاة الكمومية، حسبما ذكرت مجلة Nature. أثبت الفيزيائيون أنهم قادرون على تحديد وتصحيح الأخطاء المعروفة باسم أخطاء "المحو" في أنظمة الحوسبة الكمومية.
قال آدم شو، المؤلف الأول المشارك للدراسة الجديدة وطالب دراسات عليا في مختبر مانويل إندريس، أستاذ الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: "غالبًا ما يكون من الصعب اكتشاف الأخطاء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية لأن مجرد البحث عنها يتسبب في حدوث المزيد من الأخطاء". "لكن دراستنا تظهر أنه مع بعض التحكم الدقيق، يمكننا تحديد بعض الأخطاء وإزالتها دون أي عواقب، ومن هنا يأتي اسم المحو."
تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية على القوانين الفيزيائية في العالم دون الذري، مثل التشابك، وهي ظاهرة تظل فيها الجسيمات متصلة وتحاكي بعضها البعض دون اتصال مباشر. في الدراسة الجديدة، ركز الباحثون على منصة الحوسبة الكمومية التي تستخدم مصفوفات من الذرات المحايدة، أو الذرات غير المشحونة. وعلى وجه التحديد، قاموا بالتلاعب بالذرات القلوية الأرضية المحايدة الفردية والمحاطة بـ "ملقط" مصنوع من الليزر. يتم استثارة هذه الذرات إلى حالة عالية الطاقة، وهي حالة "ريدبيرج"، والتي تبدأ فيها الذرات المجاورة بالتفاعل.
"الذرات في نظامنا الكمي تتحدث مع بعضها البعض وتصبح متشابكة"، يشرح باسكال شول، وهو مؤلف مشارك آخر في الدراسة، والذي كان باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ويعمل الآن في شركة حوسبة كمومية فرنسية تدعى PASQAL.
التشابك هو المفتاح لتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. "ومع ذلك، فإن الطبيعة لا تحب الحفاظ على هذه الحالة من التشابك الكمي"، يشرح شول. "في النهاية، ستحدث أخطاء تدمر الحالة الكمومية بأكملها. يمكن اعتبار هذه الحالات المتشابكة بمثابة سلال مليئة بالتفاح، والذرات هي التفاح. وبمرور الوقت، ستبدأ بعض التفاحات بالتعفن، وإذا لم تتم إزالة هذه التفاحات من السلة واستبدالها بتفاحات جديدة، فسوف تتعفن جميع التفاحات بسرعة. ليس من الواضح كيفية منع حدوث هذه الأخطاء تمامًا، لذا فإن الطريقة الوحيدة الممكنة في الوقت الحالي هي اكتشاف الأخطاء وتصحيحها."
تم تصميم نظام محاصرة الأخطاء الجديد بطريقة تجعل الذرات الخاطئة تتألق، أو تتوهج، عندما تتعرض لضوء الليزر. وقال شول: "لدينا صور للذرات المتوهجة التي تخبرنا بمكان الأخطاء، حتى نتمكن من استبعادها من الإحصائيات النهائية أو استخدام نبضات ليزر إضافية لتصحيحها بشكل استباقي".
تم اقتراح نظرية تنفيذ كشف المحو في أنظمة الذرة المحايدة لأول مرة من قبل جيف طومسون، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون، وزملاؤه. كما نشر الفريق مؤخرًا عرضًا توضيحيًا لهذه التقنية في مجلة Nature.
يقول فريق معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أنه من خلال إزالة الأخطاء وتحديد موقعها في نظام ذرات ريدبيرج، يمكنهم زيادة المعدل الإجمالي، أو الدقة، للتشابك. وفي الدراسة الجديدة، وجد الفريق أن زوجًا واحدًا فقط من بين 1000 زوج من الذرات فشل في التشابك. يعد هذا تحسنًا بمقدار 10 أضعاف عن النتائج السابقة وأعلى معدل تشابك لوحظ في هذا النوع من النظام.
في نهاية المطاف، تبشر هذه النتائج بالخير لمنصات الحوسبة الكمومية التي تستخدم مصفوفات من ذرات ريدبيرج المحايدة. الذرات المحايدة هي أكثر أنواع الحواسيب الكمومية قابلية للتطوير، لكنها حتى الآن لم تتمتع بدقة تشابك عالية.
المرجع: "محو التحول في محاكاة ريدبيرج الكمومية عالية الدقة"، بقلم باسكال شول، وآدم إل شو، وريتشارد بينج شيون تساي، وران فينكلستين، وجونهي تشوي، ومانويل إندريس، ١١ أكتوبر ٢٠٢٣، مجلة "الطبيعة".
دوى:10.1038/s41586-023-06516-4
المصدر المجمع: ScitechDaily