اكتشاف جديد يمكن أن يكون مفتاح الحوسبة الكمية العملية
كشف الباحثون النقاب عن تقنية جديدة تمامًا لتصحيح الأخطاء في حسابات الكمبيوتر الكمومية، مما قد يزيل عائقًا كبيرًا أمام مجال جديد قوي للحوسبة.
تصحيح الخطأ هو موضوع متطور في أجهزة الكمبيوتر التقليدية. لإرسال واستقبال البيانات عبر موجات الأثير الفوضوية، يتطلب كل هاتف خلوي فحوصات وتعديلات.
تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية إمكانات هائلة لمعالجة المشكلات المعقدة التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام بها، ولكن هذه السعة تعتمد على تسخير السلوك العابر بشكل لا يصدق للجسيمات دون الذرية.
هذه السلوكيات الحاسوبية سريعة الزوال لدرجة أن فحصها بحثًا عن عيوب قد يؤدي إلى انهيار النظام بأكمله.
فريق متعدد التخصصات بقيادة جيف طومسون، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة برينستون، والمتعاونين يو وو وشروتي بوري في جامعة ييل وشيمون كولكويتز في جامعة ويسكونسن ماديسون، تم عرضهم في ورقة نظرية نُشرت في Nature Communications .
أنها يمكن أن تحسن بشكل كبير تحمل الكمبيوتر الكمومي للأعطال وتقليل كمية المعلومات الزائدة اللازمة لعزل وإصلاح الأخطاء.
يضاعف النهج الجديد معدل الخطأ المقبول أربع مرامرات، 1٪ إلى 4٪، ٪، ا يجعله عمليًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية قيد التطوير حاليًا.
قال طومسون: “التحدي الأساسي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو أن العمليات التي تريد القيام بها صاخبة”، مما يعني أن الحسابات عرضة لأنماط لا تعد ولا تحصى من الفشل.
في جهاز كمبيوتر تقليدي، يمكن أن يكون الخطأ بسيطًا مثل تقليب جزء من الذاكرة بطريق الخطأ من 1 إلى 0، أو فوضويًا مثل جهاز توجيه لاسلكي يتداخل مع جهاز آخر.
من الأساليب الشائعة للتعامل مع مثل هذه الأخطاء بناء بعض التكرار بحيث تتم مقارنة كل قطعة من البيانات بالنسخ المكررة.
ومع ذلك، فإن هذا النهج يزيد من كمية البيانات المطلوبة ويخلق المزيد من الاحتمالات للأخطاء. لذلك، فإنها تعمل فقط عندما تكون الغالبية العظمى من المعلومات صحيحة بالفعل.
خلاف ذلك، فإن التحقق من البيانات الخاطئة مقابل البيانات الخاطئة يؤدي إلى عمق أكبر في حفرة الخطأ.
قال طومسون: “إذا كان معدل الخطأ الأساسي لديك مرتفعًا جدًا، فإن التكرار يعد استراتيجية سيئة”. “التحدي الرئيسي هو الوصول إلى ما دون هذا الحد”.
بدلاً من التركيز فقط على تقليل عدد الأخطاء، جعل فريق Thompson بشكل أساسي الأخطاء أكثر وضوحًا.
تعمق الفريق في الأسباب المادية الفعلية للخطأ وصمم نظامهم بحيث يزيل المصدر الأكثر شيوعًا للخطأ بشكل فعال، بدلاً من مجرد إتلاف البيانات التالفة.
قال طومسون إن هذا السلوك يمثل نوعًا معينًا من الخطأ يُعرف باسم “خطأ المحو”، والذي يسهل بشكل أساسي التخلص منه من البيانات التالفة ولكنها لا تزال تبدو مثل جميع البيانات الأخرى.
في جهاز كمبيوتر تقليدي، إذا ظهرت حزمة من المعلومات التي يُفترض أنها زائدة عن الحاجة على أنها 11001، فقد يكون من المجازفة افتراض أن 1s الأكثر انتشارًا هي الصحيحة وأن الأصفار خاطئة.
ولكن إذا ظهرت المعلومات على أنها 11XX1، حيث تكون البنات التالفة واضحة، فإن الحالة تكون أكثر إقناعًا.
قال طومسون: “من السهل جدًا تصحيح أخطاء المحو هذه لأنك تعرف مكانها”. يمكن استبعادهم من تصويت الأغلبية. هذه ميزة كبيرة “.
قال طومسون إن أخطاء المحو مفهومة جيدًا في الحوسبة التقليدية، لكن الباحثين لم يفكروا سابقًا في محاولة هندسة أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتحويل الأخطاء إلى محو.
من الناحية العملية، يمكن أن يتحمل نظامهم المقترح معدل خطأ يبلغ 4.1٪، والذي قال طومسون إنه ضمن نطاق إمكانية أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية.
في الأنظمة السابقة، يمكن أن يعالج تصحيح الخطأ الحديث أقل من 1٪ خطأ، والذي قال طومسون إنه على حافة قدرة أي نظام كمي حالي مع عدد كبير من الكيوبتات.
تبين أن قدرة الفريق على إنشاء أخطاء محو كانت فائدة غير متوقعة من خيار اتخذه طومسون منذ سنوات. يستكشف بحثه ” كيوبتات الذرة المحايدة “، حيث يتم تخزين المعلومات الكمية (“كيوبت”) في ذرة واحدة.
لقد كانوا روادًا في استخدام عنصر الإيتربيوم لهذا الغرض. قال طومسون إن المجموعة اختارت الإيتربيوم جزئيًا لأنه يحتوي على إلكترونين في الطبقة الخارجية من الإلكترونات، مقارنة بمعظم كيوبتات الذرة المحايدة الأخرى، والتي تحتوي على إلكترون واحد فقط.
قال طومسون: “أعتبرها سكينًا سويسريًا للجيش، وهذا الإيتربيوم هو سكين الجيش السويسري الأكبر والأكثر بدانة”. “هذا القليل من التعقيد الذي تحصل عليه من امتلاك إلكترونين يمنحك الكثير من الأدوات الفريدة.”
تبين أن استخدامًا واحدًا لهذه الأدوات الإضافية كان مفيدًا في التخلص من الأخطاء.
اقترح الفريق ضخ الإلكترونات في الإيتربيوم ومن “حالتها الأرضية” المستقرة إلى حالات مثارة تسمى “الحالات غير المستقرة”، والتي يمكن أن تدوم طويلًا في ظل الظروف المناسبة ولكنها هشة بطبيعتها.
بشكل غير متوقع، اقترح الباحثون استخدام هذه الحالات لتشفير المعلومات الكمومية.
قال طومسون: “يبدو الأمر كما لو كانت الإلكترونات على حبل مشدود”. وقد تم تصميم النظام بحيث تتسبب نفس العوامل التي تسبب الخطأ أيضًا في سقوط الإلكترونات من الحبل المشدود.
على سبيل المكافأة، بمجرد أن تسقط الإلكترونات على الحالة الأرضية، تشتت الضوء بطريقة مرئية جدًا، لذا فإن تسليط الضوء على مجموعة من كيوبت الإيتربيوم يتسبب في إضاءة العناصر المعيبة فقط. يجب شطب تلك التي تضيء على أنها أخطاء.
تطلب هذا التقدم الجمع بين الرؤى في كل من أجهزة الحوسبة الكمومية ونظرية تصحيح الخطأ الكمي، والاستفادة من الطبيعة متعددة التخصصات لفريق البحث وتعاونهم الوثيق.
في حين أن آليات هذا الإعداد خاصة بذرات الإيتربيوم من طومسون، قال إن فكرة هندسة الكيوبتات الكمومية لتوليد أخطاء محو يمكن أن تكون هدفًا مفيدًا في الأنظمة الأخرى – التي يوجد الكثير منها قيد التطوير حول العالم – وهو شيء يمكن أن يكون المجموعة تواصل العمل عليها.
قال طومسون: “نرى أن هذا المشروع يضع نوعًا من الهندسة المعمارية التي يمكن تطبيقها بعدة طرق مختلفة”، مضيفًا أن مجموعات أخرى بدأت بالفعل في هندسة أنظمتها لتحويل الأخطاء إلى محو.
“إننا نشهد بالفعل الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام في العثور على تعديلات لهذا العمل.”
كخطوة تالية، تعمل مجموعة Thompson الآن على إظهار تحويل الأخطاء إلى محو في كمبيوتر كمي صغير يعمل يجمع عدة عشرات من الكيوبتات.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
