در سال‌های اخیر، محاسبات کوانتومی به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین و امیدوارکننده‌ترین حوزه‌های فناوری ظهور کرده است. با این حال، یکی از بزرگترین چالش‌هایی که محققان در مسیر توسعه رایانه‌های کوانتومی با آن روبرو هستند، مسئله تصحیح خطاهای کوانتومی است. این خطاها که در طی پردازش اطلاعات توسط کیوبیت‌ها رخ می‌دهند، می‌توانند به سرعت گسترش یابند و عملکرد کلی سیستم را تحت تاثیر قرار دهند. با توجه به اهمیت این موضوع، محققان در تلاش هستند تا راه‌حل‌هایی برای مقابله با این خطاها پیدا کنند. اخیراً، محققان مؤسسه علوم و فناوری کره (KIST) با توسعه یک فناوری هیبریدی نوآورانه موفق به ارائه راه‌حلی برای این چالش شده‌اند که می‌تواند بهبود چشمگیری در کارایی و تحمل خطای سیستم‌های محاسبات کوانتومی ایجاد کند. در ادامه با ما در دیجی رو همراه باشید.
تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی
تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی یکی از اصول اساسی برای عملیاتی کردن این فناوری در مقیاس وسیع است. برخلاف رایانه‌های کلاسیک که با بیت‌ها کار می‌کنند، رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند. کیوبیت‌ها به دلیل ویژگی‌های کوانتومی‌شان مانند برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، بسیار حساس به نویز و اختلالات محیطی هستند. این حساسیت باعث می‌شود که خطاها به راحتی در سیستم رخ دهند و در صورت عدم تصحیح، محاسبات کوانتومی از دقت لازم برخوردار نخواهد بود.
تکنولوژی تصحیح خطای کوانتومی به عنوان ابزاری برای کنترل این خطاها معرفی شده است. این تکنولوژی با استفاده از کیوبیت‌های منطقی، که می‌توانند به صورت متغیرهای گسسته (DV) و متغیرهای پیوسته (CV) باشند، خطاها را شناسایی و اصلاح می‌کند. هر کدام از این رویکردها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند؛ به عنوان مثال، رویکرد DV که شرکت‌های بزرگی مانند IBM و گوگل از آن استفاده می‌کنند، پیچیدگی بالایی دارد، در حالی که رویکرد CV که توسط شرکت‌هایی نظیر آمازون و زانادو پیگیری می‌شود، از نظر استفاده از منابع بهینه‌تر است.
منظور از کیوبیت در محاسبات کوانتومی چیست؟
کیوبیت (qubit) واحد اصلی اطلاعات در محاسبات کوانتومی و در واقع مشابه بیت در کامپیوترهای معمولی است. در کامپیوترهای عادی، بیت‌ها فقط می‌توانند یکی از دو حالت 0 یا 0 را داشته باشند. اما کیوبیت می‌تواند همزمان هم در حالت 0 و هم در حالت 1 باشد که به این وضعیت برهم‌نهی (superposition) می‌گویند. این ویژگی به کامپیوترهای کوانتومی امکان می‌دهد تا به شکل بسیار قدرتمندی محاسبات پیچیده‌تر را انجام دهند.
علاوه بر برهم‌نهی، کیوبیت‌ها یک ویژگی دیگر به نام درهم‌تنیدگی (entanglement) هم دارند. درهم‌تنیدگی به این معنی است که وضعیت یک کیوبیت می‌تواند به وضعیت کیوبیت دیگر مرتبط باشد، حتی اگر آن‌ها فاصله زیادی از هم داشته باشند. این ویژگی به کامپیوترهای کوانتومی قدرت بیشتری در پردازش اطلاعات می‌دهد.
در نهایت، کیوبیت‌ها در مواد مختلفی مثل یون‌ها، اتم‌ها یا حتی فوتون‌ها (ذرات نور) ایجاد می‌شوند و در آزمایشگاه‌های پیشرفته از آن‌ها برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی استفاده می‌شود. اگر چه این فناوری هنوز در حال توسعه است، اما در آینده می‌تواند برای حل مسائل پیچیده‌تری مانند شبیه‌سازی‌های علمی یا بهبود الگوریتم‌های هوش مصنوعی بسیار کارآمد باشد.
معماری جدید محاسبات کوانتومی مبتنی بر کیوبیت‌های هیبریدی
محققان KIST تحت سرپرستی دکتر سونگ-وو لی (Seung-Woo Lee)، اولین تکنیک تصحیح خطای هیبریدی جهان را معرفی کرده‌اند که رویکردهای DV و CV را با هم ترکیب می‌کند. این تکنیک جدید به عنوان یک گام بزرگ در معماری‌های محاسبات کوانتومی با تحمل خطا مطرح شده است. با استفاده از این تکنیک، محققان قادر به ایجاد یک ساختار شبکه‌ای برای تصحیح خطاهای کوانتومی شده‌اند که از مزایای هر دو نوع کیوبیت بهره می‌برد.
این رویکرد هیبریدی نه تنها مزایای هر دو روش را ترکیب می‌کند، بلکه به کارایی بالاتری در مقابله با خطاها و استفاده بهینه‌تر از منابع نیز دست یافته است. بر اساس شبیه‌سازی‌های عددی انجام شده توسط این تیم تحقیقاتی، معماری هیبریدی توانسته است آستانه تحمل از دست دادن فوتون را تا چهار برابر نسبت به روش‌های موجود افزایش دهد. علاوه بر این، بهره‌وری منابع نیز تا 13 برابر بهبود یافته است، بدون اینکه نرخ خطاهای منطقی افزایش یابد.
مزایای ترکیب متغیرهای گسسته و پیوسته
یکی از نوآوری‌های اصلی این روش هیبریدی، ترکیب تکنیک‌های DV و CV است. هر کدام از این رویکردها دارای ویژگی‌های منحصر به فردی هستند که در کنار هم می‌توانند نقاط ضعف یکدیگر را پوشش دهند. در رویکرد DV، کیوبیت‌ها به صورت گسسته و در حالات مشخصی تعریف می‌شوند، در حالی که در رویکرد CV، کیوبیت‌ها می‌توانند در طیف پیوسته‌ای از حالات قرار بگیرند.
این ترکیب به سیستم‌های محاسبات کوانتومی امکان می‌دهد که بهتر با نویزها و خطاهای محیطی مقابله کنند. به عنوان مثال، در سیستم‌های نوری که با فوتون‌ها کار می‌کنند، این رویکرد هیبریدی توانسته است میزان از دست رفتن فوتون‌ها را به طور قابل توجهی کاهش دهد و در نتیجه کارایی کلی سیستم را بهبود ببخشد.
کاربردهای فناوری هیبریدی در سیستم‌های مختلف
یکی دیگر از نکات قابل توجه در مورد این فناوری هیبریدی، قابلیت استفاده آن در سیستم‌های مختلف محاسبات کوانتومی است. به گفته دکتر جاهاک لی (Jaehak Lee) از KIST، این تکنولوژی نه تنها در سیستم‌های نوری کاربرد دارد، بلکه می‌تواند در ابررساناها و تله‌های یونی نیز به کار گرفته شود. این انعطاف‌پذیری نشان می‌دهد که فناوری هیبریدی می‌تواند به عنوان یک راه‌حل جامع برای توسعه رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ و عملیاتی شدن آن‌ها به کار گرفته شود.
همکاری‌های بین‌المللی برای توسعه فناوری‌های کوانتومی
این پیشرفت مهم نتیجه یک همکاری بین‌المللی است. مؤسسه KIST سال گذشته یک یادداشت تفاهم با دانشگاه شیکاگو امضا کرد که شامل همکاری‌های مشترک در زمینه فناوری‌های کوانتومی بود. در این همکاری، محققان از دانشگاه سئول و شرکت کوانتومی کانادایی زانادو (Xanadu) نیز مشارکت داشتند. این همکاری‌ها به محققان اجازه داده است که در طی بیش از یک سال به نتایج برجسته‌ای در زمینه تصحیح خطاهای کوانتومی دست یابند.
اهمیت پیشرفت‌های اخیر در محاسبات کوانتومی
توسعه فناوری‌های کوانتومی به عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی علوم آینده، توجه بسیاری از شرکت‌ها و نهادهای تحقیقاتی را به خود جلب کرده است. رایانه‌های کوانتومی، با توانایی محاسبه و پردازش حجم عظیمی از داده‌ها در کسری از زمان نسبت به رایانه‌های کلاسیک، نوید حل مسائل پیچیده‌ای را می‌دهند که تا کنون غیرقابل حل بوده‌اند. از مسائل بهینه‌سازی پیچیده گرفته تا شبیه‌سازی‌های مولکولی، محاسبات کوانتومی می‌تواند تحول عظیمی در صنایع مختلف ایجاد کند.
با این حال، چالش‌های بزرگی نیز در این راه وجود دارد که یکی از مهم‌ترین آن‌ها خطاهای کوانتومی است. پیشرفت در تکنولوژی‌های تصحیح خطا، همانند فناوری هیبریدی توسعه یافته در KIST، می‌تواند به عنوان یک گام اساسی در رفع این چالش‌ها و عملیاتی شدن رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ محسوب شود.
نتیجه‌گیری
تحقیقات اخیر مؤسسه KIST در توسعه فناوری تصحیح خطای هیبریدی نشان دهنده یک پیشرفت بزرگ در حوزه محاسبات کوانتومی است. این فناوری نه تنها کارایی و تحمل خطا را بهبود می‌بخشد، بلکه امکان استفاده در سیستم‌های مختلف محاسبات کوانتومی را فراهم می‌کند. با ادامه همکاری‌های بین‌المللی و توسعه بیشتر این فناوری، به نظر می‌رسد که رایانه‌های کوانتومی در آینده نزدیک به واقعیت تبدیل شوند و تحول عظیمی در دنیای فناوری و علوم ایجاد کنند.
این پیشرفت نه تنها محققان را به تحقق رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ نزدیک‌تر کرده است، بلکه راه را برای توسعه بیشتر فناوری‌های هیبریدی که ترکیبی از مزایای سیستم‌های مختلف هستند، هموار کرده است. در نهایت، فناوری‌های هیبریدی نقشی کلیدی در آینده محاسبات کوانتومی ایفا خواهند کرد و می‌توانند به تحقق آرزوی دیرینه دانشمندان برای ساخت رایانه‌های کوانتومی پرقدرت کمک کنند.
