آزمایشهای تازهٔ آیبیام نشان میدهد برخی محاسبات کوانتومی به سطحی رسیدهاند که بازتولید و اعتبارسنجی آنها با روشهای کلاسیک روی ابررایانههای کنونی امکانپذیر نیست. این وضعیت نشاندهنده پیشرفت قابلتوجه در مسیر دستیابی به برتری کوانتومی است.
چرا «غیرقابلتأیید» بودن یک محاسبه اهمیت دارد
دستیابی به محاسباتی که دستگاههای کلاسیک قادر به شبیهسازی آنها نیستند هدف بحث برتری کوانتومی است. با این حال، نتیجهای که امکان بررسی و اعتمادسنجی آن وجود نداشته باشد، کاربرد عملی محدودی خواهد داشت. برای رفع این نقطهضعف، گروهی از محققان آیبیام و دانشگاه شیکاگو در سه پیشچاپ روشهایی ارائه کردهاند که هم سطح مشکلسازی برای شبیهسازی کلاسیک را افزایش میدهد و هم ابزارهایی برای سنجش و اعتمادبهنتیجه فراهم میآورد.
روشهای معرفیشده برای اعتمادسازی
- گواهی مبتنی بر دستگاه (device-dependent certificate): با ترکیب اندازهگیریهای تشخیصی در مدار، کران پایین کمی برای وفاداری خروجی تعیین میشود تا حداقل سهم حالت هدف در خروجی مشخص گردد.
- پسانتخاب (postselection): نمونههای اجرا که معیارهای خطا را نقض کنند حذف میشوند تا تنها خروجیهای «پاکتر» تحلیل شوند؛ این کار نرخ نمونهگیری را کاهش میدهد اما اطلاعات تشخیصی دقیقتری فراهم میسازد.
- کاهش خطا و تکرار اجراها: ترکیبی از تکنیکهای کاهش خطا، اجرای مکرر مدارها و مقایسه با شبیهسازیهای کلاسیک محدود به کار گرفته شد تا نقطهای که شبیهسازیهای کلاسیک دیگر با نتایج کوانتومی همخوانی ندارند مشخص شود.
جزئیات برجسته از یک آزمایش: تلفیق 70 کیوبیت محاسباتی و 27 کیوبیت کمکی
در آزمایش شاخص، تیم تحقیق مدار 70 کیوبیتی را روی 97 کیوبیت فیزیکی پیادهسازی کرد؛ 70 کیوبیت بار محاسباتی را حمل میکردند و 27 کیوبیت کمکی (ancilla) برای اندازهگیری معیارهای خطا به کار رفتند. فرآیند با یک مدار کلیفورد آغاز شد و سپس 468 دروازهٔ T به مدار افزوده شد تا اجرای شبیهسازی کلاسیک دشوارتر شود، بدون آنکه با سازوکارهای تشخیصی تداخل ایجاد گردد.
مشخصات کوتاه آزمایش:
- درهمتنیدگیها: 2,415 دروازه CZ
- نمونههای پسانتخابی جمعآوریشده: 2,051 نمونه
- مدتزمان اجرا: 16.1 دقیقه
- کران پایین وفاداری گزارششده: 0.284 با 95٪ اطمینان
این روش هنوز معادل یک دستگاه مقاوم در برابر خطا (fault-tolerant) نیست؛ مدارها به شناسایی خطا و حذف اجراهای آلوده میپردازند اما اصلاح بلادرنگ خطا انجام نمیشود. پسانتخاب نرخ نمونهگیری مؤثر را کاهش میدهد، با این حال برای سیستمهای هدفگذاریشده در محیطهای ابری قابلپذیرش به شمار میآید.
پلتفرم و همکاران
هر سه پیشچاپ روی پردازندههای Heron R3 آیبیام اجرا شدهاند. پژوهشگران از همکاری و پشتیبانی آیبیام، دانشگاه شیکاگو، RIKEN، Qedma، BlueQubit و Algorithmiq برخوردار بودند. همهٔ مقالات به صورت پیشچاپ منتشر شدهاند و هنوز تحت داوری همتا قرار نگرفتهاند؛ بنابراین نتایج مقدماتی و قابل تأملاند اما نیازمند بازتولید و بررسی مستقل بیشتری هستند.
پیامدها و گامهای بعدی
در صورت تأیید این رویکردها، گامی مهم در جهت کاربردیتر شدن محاسبات کوانتومی برداشته میشود: ماشینهایی که هم محاسبات پیچیده انجام میدهند و هم معیارهایی برای ایجاد اعتماد ارائه میکنند. اولویتهای عملی در ادامه عبارتاند از:
- کاهش نویز و افزایش وفاداری خروجیها
- توسعه روشهای تایید مستقلتر، از جمله پروتکلهای تعاملی و روشهای بدوناعتماد
- پیشروی به سمت مدارهای مقاوم در برابر خطا و توانایی اصلاح بلادرنگ
- تکرار مستقل آزمایشها توسط دیگر گروهها و انتشار نتایج تحت داوری همتا
منابع و مطالعهٔ بیشتر
برای کسب اطلاعات پایه میتوان به صفحات محاسبات کوانتومی و برتری کوانتومی در ویکیپدیا مراجعه کرد. اطلاعات تکمیلی درباره پژوهشهای آیبیام نیز در وبسایت تحقیقاتی آیبیام در دسترس است.
این مجموعه پیشچاپها نشان میدهد توان محاسباتی کوانتومی در حال رشد است و جامعهٔ پژوهشی ابزارهایی برای سنجش و اعتبارسنجی این توان توسعه میدهد؛ گامی مهم برای نزدیکتر شدن محاسبات کوانتومی از مرحلهٔ آزمایشی به مرحلهٔ قابلاعتماد و کاربردی.
