رکورد جهانی دقت در کنترل کیوبیت شکسته و مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی هموارتر شد

گروهی از فیزیکدانان دانشگاه آکسفورد موفق شدند دقیق‌ترین عملیات ثبت‌شده در تاریخ رایانش کوانتومی را انجام دهند؛ تنها یک خطا در هر ۶.۷ میلیون عملیات کوانتومی! این دستاورد که در قالب مقاله‌ای در نشریه معتبر Physical Review Letters منتشر شده، گامی بزرگ به‌سوی ساخت رایانه‌های کوانتومی عملیاتی و قابل اعتماد به‌شمار می‌رود.

به گزارش science tech daily تیم پژوهشی آکسفورد با استفاده از یون‌های کلسیم به‌دام‌افتاده و با کنترل کوانتومی از طریق امواج مایکروویو، نرخ خطایی معادل تنها ۰.۰۰۰۰۱۵ درصد را به ثبت رسانده‌اند. این رقم تقریباً ۱۰ برابر بهتر از رکورد پیشین است که همان تیم در سال ۲۰۱۴ ثبت کرده بود.

برای مقایسه، احتمال اینکه در یک سال با صاعقه برخورد کنید (۱ در ۱.۲ میلیون) بیشتر از احتمال بروز خطا در گیت کوانتومی جدید آکسفورد است!

گامی مهم به سوی رایانه‌های کوانتومی کاربردی

دیوید لوکاس از دپارتمان فیزیک دانشگاه آکسفورد و یکی از نویسندگان مقاله، در این‌باره گفت: «تا جایی که می‌دانیم، این دقیق‌ترین عملیات گیت کوانتومی ثبت‌شده در جهان است. این موفقیت، قدمی مهم در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی است که بتوانند مسائل واقعی را حل کنند.»

در رایانه‌های کوانتومی، انجام محاسبات پیچیده مستلزم اجرای میلیون‌ها عملیات روی تعداد زیادی کیوبیت است. اگر نرخ خطا در این عملیات بالا باشد، خروجی نهایی فاقد اعتبار خواهد بود. اگرچه روش‌هایی برای تصحیح خطا وجود دارد، اما به کیوبیت‌های اضافی زیادی نیاز دارند. کاهش نرخ خطا به‌طور مستقیم باعث کاهش نیاز به کیوبیت‌های بیشتر شده و در نتیجه، اندازه، هزینه و پیچیدگی سخت‌افزار رایانه کوانتومی را کاهش می‌دهد.

مولی اسمیت، دانشجوی دکتری فیزیک و یکی از نویسندگان مقاله، نیز در این‌باره گفت: «با کاهش چشمگیر احتمال خطا، این پژوهش زیرساخت موردنیاز برای تصحیح خطا را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد و راه را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر هموار می‌کند. همچنین، این سطح از دقت در کنترل کیوبیت‌ها می‌تواند در حوزه‌هایی، چون ساعت‌های کوانتومی و حسگر‌های دقیق کوانتومی نیز کاربرد داشته باشد.»

برتری امواج مایکروویو نسبت به لیزر

این رکورد بی‌سابقه با استفاده از یک یون کلسیم منفرد در نقش کیوبیت و از طریق کنترل آن با امواج مایکروویو به‌دست آمده است. در روش‌های متداول، لیزر‌ها برای کنترل کوانتومی استفاده می‌شوند، اما تیم آکسفورد نشان داده که کنترل الکترونیکی با امواج مایکروویو پایدارتر، ارزان‌تر و قابل ادغام‌پذیرتر با تراشه‌های تله‌یونی است. افزون بر این، آزمایش در دمای اتاق و بدون سپر مغناطیسی انجام شده که نیاز‌های فنی برای ساخت رایانه‌های کوانتومی را به‌طور چشمگیری ساده می‌کند.

با وجود این دستاورد تاریخی در عملیات تک‌کیوبیتی، پژوهشگران تأکید دارند که راه طولانی تا دستیابی به رایانه‌های کوانتومی تمام‌عیار باقی مانده است. عملکرد کامل یک رایانه کوانتومی نیازمند ترکیب دقیق گیت‌های تک‌کیوبیتی و دوکیوبیتی است. در حالی‌که در این پژوهش نرخ خطای تک‌کیوبیتی به یک در ۶.۷ میلیون رسیده، گیت‌های دوکیوبیتی هنوز نرخ خطایی در حدود یک در هر ۲۰۰۰ عملیات دارند. بنابراین، کاهش خطای این گیت‌ها همچنان یک چالش کلیدی در مسیر ساخت ماشین‌های کوانتومی کاملاً مقاوم در برابر خطا است.

این آزمایش‌ها در دپارتمان فیزیک دانشگاه آکسفورد با همکاری تیمی از پژوهشگران شامل مولی اسمیت، آرون لو، ماریو گِلی، دیوید لوکاس و کویچیرو می‌یانیشی از دانشگاه اوزاکا (مرکز اطلاعات و زیست‌شناسی کوانتومی) انجام شد.

تیم آکسفورد پیش از این نیز در سال ۲۰۱۴ رکورد جهانی دقت در عملیات تک‌کیوبیتی را به‌نام خود ثبت کرده بود و در ادامه، شرکت دانش‌بنیان Oxford Ionics را در سال ۲۰۱۹ تأسیس کرد که هم‌اکنون یکی از پیشگامان حوزه کیوبیت‌های یون به‌دام‌افتاده با عملکرد بالا محسوب می‌شود.