هلیوس؛ جهش بزرگ دقت در پردازنده های کوانتومی کاربردی

کوانتینیوم و آزمایشگاه‌های ملی سندیا با هلیوس، دقت کوانتومی را به سطحی خیره‌کننده رسانده‌اند؛ ماشینی که فاصله میان کنجکاوی آزمایشگاهی و سخت‌افزار کوانتومی کاربردی را کمتر می‌کند.

عملیات تک‌کیوبیتی در هلیوس به وفاداری 99.9975% رسید. گیت‌های دوکیوبیتی نیز به 99.921% دست یافتند. این اعداد فقط بهبودهای جزئی نیستند؛ بلکه یک جهش اساسی به شمار می‌آیند. چرا این موضوع مهم است؟ چون وفاداری، معیار اصلی سودمندی رایانش کوانتومی است. هرچه عملیات به 100% نزدیک‌تر شود، خطاهای کمتری در محاسبه زنجیره‌ای می‌شوند و جریان‌های کاری کوانتومی در دنیای واقعی امکان‌پذیرتر خواهند شد.

هلیوس بر پایه فناوری یون‌های به‌دام‌افتاده ساخته شده و 98 کیوبیت فیزیکی را در خود جای داده است که با استفاده از روش‌های کاهش خطا، به حدود 50 کیوبیت منطقی نگاشت می‌شوند. این سامانه همچنین از فوتونیک یکپارچه برای جابه‌جایی اطلاعات کوانتومی در کانال‌های نوری میکروسکوپی با سرعت نور استفاده می‌کند؛ انتخابی طراحی‌محور که به مقیاس‌پذیری دستگاه کمک می‌کند و در عین حال مصرف انرژی را محدود نگه می‌دارد. به گفته تیم پژوهشی، مصرف آن حدود 40 کیلووات است. این میزان برای سیستمی در این کلاس، به‌طور چشمگیری بهینه محسوب می‌شود.

نقش سندیا فراتر از اعتبارسنجی بود. پژوهشگران این مرکز ابزارهای پیشرفته سنجش عملکرد را برای بررسی چشم‌انداز خطا در هلیوس به کار گرفتند و بهبود دادند؛ از جمله روشی تازه برای ارزیابی اندازه‌گیری‌های میانه‌مدار، یعنی توانایی خواندن و واکنش نشان دادن به کیوبیت‌ها در میانه اجرای محاسبه. اندازه‌گیری میانه‌مدار قابلیتی فنی اما سرنوشت‌ساز است: بدون آن نمی‌توان الگوریتم‌های کوانتومی پایدار و تاب‌آور در برابر خطا ساخت. روش‌های ارزیابی جدید، نقشه روشن‌تری از محل پنهان شدن خطاها و شیوه سرکوب آن‌ها در اختیار مهندسان قرار می‌دهد.

هلیوس نشان می‌دهد که پردازنده‌های کوانتومی کاربردی با خطای پایین دیگر فقط یک هدف نظری نیستند؛ آن‌ها در حال تبدیل شدن به واقعیت مهندسی هستند.

کوانتینیوم هلیوس را بزرگ‌ترین و قابل‌اعتمادترین سامانه تجاری خود تا امروز می‌داند و مشتریان می‌توانند از طریق اشتراک‌های ابری به آن دسترسی داشته باشند. با این حال، تیم سازنده صریح است: این نقطه پایان نیست. یک رایانه کوانتومی همه‌منظوره و تصحیح‌شده از نظر خطا که به‌طور منظم از ابررایانه‌های کلاسیک پیشی بگیرد، همچنان یک نقطه عطف آینده است. اما نزدیک شدن به نرخ خطای کمتر از 0.01% برای گیت‌های تک‌کیوبیتی و کمتر از 0.1% برای گیت‌های دوکیوبیتی، مسیر رسیدن به آن نقطه عطف را بسیار کوتاه‌تر می‌کند.

پیامدهای کاربردی همین حالا روشن هستند. وفاداری بالاتر، دامنه شبیه‌سازی‌ها و الگوریتم‌های قابل اجرا را گسترش می‌دهد؛ از کشف مجازی دارو و طراحی مواد گرفته تا مدل‌سازی پیشرفته انرژی و پژوهش در رمزنگاری نسل آینده. وظایفی که بهترین ماشین‌های کلاسیک امروز با آن‌ها دست‌وپنجه نرم می‌کنند، می‌توانند با مقیاس‌پذیری ماژول‌های کوانتومی کم‌خطا و اتصال آن‌ها به ساختارهای منطقی بزرگ‌تر، در دسترس قرار گیرند.

نتایج هلیوس در نشریه نیچر مستند شده و یک نقطه عطف مهم را نشان می‌دهد: نه فقط اعداد بالاتر در یک معیار سنجش، بلکه پیشرفتی قابل مشاهده در حل مسائل مهندسی که میان نظریه و کاربرد قرار دارند. اکنون رقابت بر سر تبدیل این دستاوردهای سخت‌افزاری به نرم‌افزار، کدهای تصحیح خطا و سامانه‌های تمام‌لایه‌ای است که مزیت‌های ملموس ارائه دهند.

پس گام بعدی چیست؟ اگر وفاداری با همین سرعت بهبود یابد، فهرست مسائلی که ماشین‌های کوانتومی می‌توانند حل کنند به‌سرعت بزرگ‌تر خواهد شد و نوآورانی که برای به‌کارگیری آن‌ها آماده‌اند، عصر بعدی محاسبات را تعریف خواهند کرد.