السباق لحل أكبر مشكلة في الحوسبة الكمومية

أجهزة الكمبيوتر الكمومية موجودة بالفعل، لكنها ترتكب الكثير من الأخطاء. يمكن القول إن هذا هو العائق الأكبر أمام أن تصبح التكنولوجيا مفيدة حقًا، لكن الاكتشافات الأخيرة تشير إلى أن الحل قد يكون في الأفق.

تتسلل الأخطاء إلى أجهزة الكمبيوتر التقليدية أيضًا، ولكن هناك تقنيات راسخة لتصحيحها. وهي تعتمد على التكرار، حيث يتم استخدام البتات الإضافية لاكتشاف متى يتم تبديل 0 بشكل غير صحيح إلى 1 أو العكس. لكن في العالم الكمي، يعد الأمر أكثر صعوبة.

تمنع قوانين ميكانيكا الكم تكرار المعلومات داخل الكمبيوتر الكمي، لذلك يجب تحقيق التكرار من خلال نشر المعلومات عبر مجموعات من الكيوبتات – اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية – واستخدام الظواهر التي لا توجد إلا في البيئات الكمومية، مثل عندما تصبح أزواج من الجسيمات مرتبطة عبر التشابك الكمي. تسمى مجموعات البتات الكمومية هذه بالكيوبتات المنطقية، ويعد اكتشاف الطريقة المثلى لبنائها واستخدامها أمرًا بالغ الأهمية لتحديد أفضل السبل للقضاء على الأخطاء.

وقد جعلت الزيادة الأخيرة في التقدم الباحثين متفائلين. يقول روبرت شولكوبف من جامعة ييل: “إنها فترة مثيرة للغاية في تصحيح الأخطاء. فللمرة الأولى، هناك اتصال حقيقي بين النظرية والتطبيق”.

إحدى العقبات التي تعترض تصحيح الخطأ الكمي هي أن عدد الكيوبتات اللازمة لإنشاء كيوبت منطقي يميل إلى أن يكون كبيرًا، مما يجعل بناء الكمبيوتر الكمي بأكمله مكلفًا وصعبًا. لكن Xiayu Linpeng من أكاديمية الكم الدولية في الصين وفريقه أثبتوا مؤخرًا أن هذا لا يجب أن يكون هو الحال.

وجد الباحثون أنه يمكن دمج اثنين فقط من الكيوبتات فائقة التوصيل مع مرنان صغير لإنشاء كيوبت واحد أكبر، وكلاهما يرتكب أخطاء أقل ويمكنه الإبلاغ تلقائيًا عن الخطأ عند حدوثه. ثم ذهبوا إلى أبعد من ذلك لإظهار كيف يمكن تجميع ثلاثة من هذه الكيوبتات معًا من خلال التشابك الكمي لبناء القوة الحسابية دون أخطاء خفية.

كما أظهر فريق شولكوبف مؤخرًا كيف يمكن تنفيذ العديد من العمليات الضرورية لبرامج الكمبيوتر الكمومي باستخدام نفس النوع من الكيوبتات ومعدلات خطأ منخفضة بشكل استثنائي، مع حدوث بعض الأخطاء نادرًا مثل مرة واحدة في مليون عملية معالجة للكيوبت.

على الرغم من أن مثل هذه الأساليب ستكتشف العديد من الأخطاء، إلا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية المفيدة يجب أن تحتوي على آلاف الكيوبتات المنطقية، مما يعني أن بعضها سيستمر في التسلل. لذلك اختبر أريان فيزفاي من شركة Quantum Elements الناشئة وزملاؤه طريقة لإضافة المزيد من الحماية من الأخطاء إلى الكيوبتات المنطقية، مثل ارتداء معطف واق من المطر تحت مظلة.

الفكرة الأساسية هي عدم ترك أي كيوبتات في وضع الخمول لفترة طويلة، لأن ذلك يجعلها تفقد خصائصها الكمومية الخاصة وتتلف. أظهر الفريق أن إعطاء الكيوبتات الخاملة “ركلات” إضافية من الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن يخلق التشابك الأكثر موثوقية بين الكيوبتات المنطقية حتى الآن.

إن الوصفة الدقيقة لكيفية دمج الكيوبتات الفيزيائية مع الكيوبتات المنطقية مهمة حقًا لبعض الحسابات الأكثر دقة، كما اكتشف ديفيد مونيوز رامو من شركة الحوسبة الكمومية Quantinuum وزملاؤه عند دراسة خوارزمية تحدد أقل طاقة ممكنة يمكن أن يمتلكها جزيء الهيدروجين. هناك، تكون الدقة المطلوبة عالية جدًا لدرجة أن الطرق الأساسية لتصحيح الأخطاء ليست كافية.

مثل هذا الابتكار في برامج تصحيح الأخطاء سيكون حاسمًا لنجاح أو فشل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، كما يقول جيمس ووتون من شركة Moth Quantum الناشئة. “ما زلنا في مرحلة يتعلم فيها الباحثون كيف تتوافق جميع أجزاء تصحيح الأخطاء معًا.” ويقول: لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تعمل بشكل فعال دون أخطاء، لكننا بدأنا في ظهور الأسس الهندسية لذلك.