در یک دستاورد بزرگ و قابل توجه در حوزه رایانش کوانتومی، پژوهشگران شرکت کوانتینوم (Quantinuum) اولین اجرای کامل یک الگوریتم شیمی کوانتومی با استفاده از تصحیح خطای کوانتومی روی یک رایانه کوانتومی واقعی را موفقیت‌آمیز انجام دادند. این پیشرفت مهم نشان می‌دهد که حتی با وجود افزایش پیچیدگی مدارها، خطا‌های کوانتومی می‌توانند مدیریت شوند و عملکرد سیستم را بهبود بخشند.
این آزمایش با استفاده از روشی به نام تخمین فاز کوانتومی (Quantum Phase Estimation) صورت گرفت که برای محاسبه انرژی حالت پایه مولکول هیدروژن به کار گرفته شد. تمام این محاسبات روی رایانه کوانتومی یونی مسدود شده H۲-۲ شرکت Quantinuum انجام گرفت و شامل الگوریتم‌های تصحیح خطا در میانه مدار (Mid-Circuit Error Correction) بود.
اهمیت این دستاورد
این دستاورد اهمیت زیادی دارد، زیرا نشان می‌دهد که تصحیح خطا در سخت‌افزار‌های کوانتومی واقعی نه تنها امکان‌پذیر است، بلکه می‌تواند عملکرد الگوریتم‌های شیمی کوانتومی را بهبود دهد حتی با وجود افزایش پیچیدگی مدار.
قبل از این، تصور عمومی این بود که اضافه کردن لایه‌های تصحیح خطا به الگوریتم‌های کوانتومی، خود باعث ایجاد نویز بیشتری می‌شود. اما نتایج این آزمایش این باور قدیمی را زیر سوال می‌برد.
محققان در یکی از مقالات منتشر شده در arXiv نوشتند: «این کار گام‌های کلیدی در مسیر شبیه‌سازی‌های کاملاً مقاوم به خطا را مشخص می‌کند. ورود این قابلیت‌ها به جریان کار صنعتی یک میلگذار بزرگ در عرصه رایانش کوانتومی خواهد بود.»
محاسبه انرژی حالت پایه هیدروژن
هدف اصلی این آزمایش، محاسبه انرژی حالت پایه مولکول هیدروژن (H₂) با استفاده از الگوریتم QPE بود. این مولکول ساده، یکی از اولین تست‌های استاندارد برای ارزیابی عملکرد الگوریتم‌های شیمی کوانتومی است.
محاسبه دقیق انرژی حالت پایه مولکول‌ها، یکی از کار‌هایی است که برای کامپیوتر‌های کلاسیک بسیار پرهزینه و وقت‌گیر است. اما رایانه‌های کوانتومی، به دلیل طبیعت کوانتومی خود، می‌توانند این نوع محاسبات را به طور کارآمدتری انجام دهند.
نتیجه محاسبه در این آزمایش تا حدود ۰.۰۱۸ هارتری با مقدار دقیق شناخته شده انطباق داشت — البته هنوز دور از دقت شیمیایی مطلوب (۰.۰۰۱۶ هارتری) است، اما به عنوان اولین اجرای کامل یک محاسبه کوانتومی با تصحیح خطا، یک میلگذار بزرگ محسوب می‌شود.
چطور خطا‌های کوانتومی کنترل شدند؟
پژوهشگران از یک کد هفت کیوبیتی به نام Color Code برای حفاظت از هر کیوبیت منطقی استفاده کردند. همچنین، الگوریتم‌های تصحیح خطا در میانه مدار قرار داده شدند تا خطا‌های پدید آمده در حین اجرای محاسبات را تشخیص داده و تصحیح کنند.
این روش به خوبی نشان داد که حتی با استفاده از روش‌های جزئی مقاوم به خطا (Partially Fault-Tolerant)، می‌توان بدون افزایش چشمگیر منابع سخت‌افزاری، عملکرد را بهبود داد.
به گزارش thequantuminsider، یکی دیگر از نکات مهم این تحقیق، شناسایی منبع اصلی نویز در سیستم بود. محققان متوجه شدند که نویز حافظه (Memory Noise) یعنی خطا‌ها در زمانی که کیوبیت‌ها در حال انتظار یا حرکت هستند. مهم‌ترین عامل تضعیف عملکرد است. این یافته به شناسایی راه‌های موثرتر برای کاهش نویز، مانند استفاده از تکنیک‌های دینامیک جداکننده (Dynamical Decoupling)، کمک کرد.
آینده رایانش کوانتومی در شیمی
این دستاورد یک قدم بزرگ به سمت دستیابی به مزیت کوانتومی در شیمی است. با بهبود کد‌های تصحیح خطا، بهینه‌سازی کامپایلر‌های کوانتومی و کاهش نویز در سخت‌افزارها، آینده‌ای را می‌توان پیش‌بینی کرد که در آن، رایانه‌های کوانتومی بتوانند مسائل شیمیایی پیچیده‌ای را حل کنند که برای کامپیوتر‌های کلاسیک غیرممکن است.
این پیشرفت می‌تواند در حوزه‌هایی مانند: طراحی دارو‌های جدید، توسعه مواد پیشرفته، مهندسی شیمی و واکنش‌های شیمیایی نقش برجسته‌ای ایفا کند.
واکنش شرکت کوانتینوم
در یک پست وبلاگی، تیم کوانتینوم نوشت: «رایانش کوانتومی بالقوه بزرگی دارد تا صنایع مختلفی را دگرگون کند. این کار نمونه‌ای آزمایشی از اولین شبیه‌سازی کامل و قابل مقیاس شیمی کوانتومی است که نشان می‌دهد مزیت کوانتومی در شبیه‌سازی سیستم‌های شیمیایی فقط ممکن نیست، بلکه در دسترس است. با توسعه تکنیک‌های جدید تصحیح خطا و پیشرفت‌های مداوم در سخت‌افزار و نرم‌افزار کوانتومی، ما در حال هموار کردن مسیر به سوی آینده‌ای هستیم که شبیه‌سازی‌های کوانتومی می‌توانند چالش‌های امروز را حل کنند.»
اجرای اولین محاسبه شیمی کوانتومی با تصحیح خطا روی یک رایانه کوانتومی واقعی، یک میلگذار برجسته در مسیر توسعه رایانش کوانتومی است. این پیشرفت نه تنها نشان می‌دهد که تصحیح خطا در سیستم‌های کوانتومی می‌تواند مؤثر باشد، بلکه دروازه‌ای به سوی کاربرد‌های واقعی این فناوری در حوزه شیمی، داروسازی و مهندسی مواد است.