جهش کوانتومی آی بی ام با راستی آزمایی محاسبات دشوار

در زمانی تقریبا برابر با تمام کردن یک فنجان قهوه، یک پردازنده کوانتومی خروجی‌ای تولید کرد که شبیه‌سازهای کلاسیک پیشرو عملا نمی‌توانند آن را بازتولید کنند. اهمیت این نتیجه فقط در سرعت نیست؛ بلکه در روشی است که نشان می‌دهد دستگاه کار را درست انجام داده است.

تیم پژوهشی چگونه شکافی قدیمی را بست

پژوهشگران آی‌بی‌ام و دانشگاه شیکاگو در ۳۰ ژوئیه ۲۰۲۶ گزارش دادند که یک رایانه کوانتومی، کاری محاسباتی و بسیار سنگین را در حدود ۱۵ دقیقه انجام داده و همزمان روشی برای ایجاد اطمینان آماری نسبت به نتیجه ارائه کرده است. این ترکیب به یکی از موانع اصلی برتری کوانتومی پاسخ می‌دهد: انجام کاری فراتر از توان عملی رایانه‌های کلاسیک و اثبات درست انجام شدن آن.

این آزمایش بر طراحی تازه‌ای برای مدارهای کوانتومی کدگذاری‌شده تکیه داشت؛ طراحی‌ای که به تیم اجازه داد هم سختی محاسباتی را افزایش دهد و هم خطاها را در جریان اجرای محاسبه شناسایی کند. به بیان ساده، پژوهشگران اطلاعات را میان اجزای فیزیکی متعدد کدگذاری کردند تا کیوبیت‌های منطقی در برابر نویز دوام بیاورند و دانشمندان بتوانند وفاداری محاسبه را در حین اجرا اندازه‌گیری کنند.

چرا راستی‌آزمایی به گلوگاه اصلی تبدیل شده است

نمونه‌برداری از مدار تصادفی مدت‌ها یکی از معیارهای استاندارد برای سنجش این بوده که آیا دستگاه‌های کوانتومی می‌توانند از رایانه‌های کلاسیک پیشی بگیرند یا نه. در این کار، یک پردازنده کوانتومی الگوهای احتمالاتی واقعا پیچیده‌ای تولید می‌کند که بازتولید آن‌ها برای ماشین‌های کلاسیک دشوار است. هرچه الگو پیچیده‌تر شود، حتی تایید درستی آن نیز سخت‌تر خواهد شد.

راستی‌آزمایی اغلب به یک دوگانه محدود می‌شود. یا باید به فرض‌های اثبات‌نشده درباره سخت‌افزار اعتماد کرد، یا پذیرفت که بررسی خروجی ممکن است به اندازه محاسبه کلاسیک آن دشوار باشد. تیم آی‌بی‌ام و دانشگاه شیکاگو مسیر دیگری را انتخاب کرد. آن‌ها با ساختاربندی مدارها به گونه‌ای که همان ماهیت محاسباتی دشوار نمونه‌برداری از مدار تصادفی حفظ شود، امکان شناسایی ناسازگاری‌ها و سنجش اثر نویز بر حالت کوانتومی در زمان اجرا را نیز فراهم کردند.

بیل ففرمن، دانشیار دانشگاه شیکاگو، گفت: «راستی‌آزمایی همچنان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در اثبات قاطع برتری کوانتومی تجربی است. این آزمایش، تکنیک‌هایی را برای توصیف بهتر وفاداری حالت‌های کوانتومی دشوار در حضور نویز توسعه می‌دهد و اعتماد ما را به این موضوع افزایش می‌دهد که رایانه کوانتومی در حال حل مسئله‌ای محاسباتی و سخت است.»

آن‌ها دقیقا چه چیزی را اجرا کردند

این نمایش از یکی از بزرگ‌ترین سامانه‌های منطقی تصحیح‌خطاشده‌ای استفاده کرد که تاکنون گزارش شده است: ۷۰ کیوبیت منطقی. کیوبیت‌های منطقی روی چندین کیوبیت فیزیکی کدگذاری می‌شوند تا از اطلاعات کوانتومی در برابر خطاهای ناشی از سخت‌افزار ناکامل و نویز محیطی محافظت کنند.

این تیم ۲۴۱۵ عملیات منطقی دوکیوبیتی و ۴۶۸ گیت منطقی تی را اجرا کرد. این ارقام پیچیدگی مدار را از دو زاویه مکمل اندازه‌گیری می‌کنند. نکته مهم این است که کدگذاری، نرخ خطای منطقی مؤثر را به حدود یک‌دهم نرخ خطای فیزیکی زیربنایی کاهش داد و به محاسبه اجازه داد با وجود توالی طولانی عملیات، وفاداری بالایی را حفظ کند.

سومیک گوش، دانشجوی دکتری در گروه ففرمن، تاکید کرد که بهبودهای راستی‌آزمایی فقط برای اعتبارسنجی آزمایش‌ها نیستند. این پیشرفت‌ها می‌توانند با ارائه ابزارهای تشخیصی قابل اعتماد برای عملکرد، با بزرگ‌تر شدن سامانه‌ها راه را برای کاربردهای عملی ماشین‌های کوانتومی آینده نزدیک باز کنند.

جی گامبتا، مدیر پژوهش آی‌بی‌ام، گفت این نمایش نشانه یک نقطه عطف است. او گفت: «اکنون به‌روشنی وارد عصر برتری کوانتومی شده‌ایم. ما یک محاسبه کوانتومی فراتر از دسترس عملی رایانه‌های کلاسیک را نشان داده‌ایم که با اطمینان آماری، یک کران پایین برای میزان وفاداری اجرای آن تعیین می‌کند. این دستاورد برای دانشمندان، توسعه‌دهندگان و کسب‌وکارها پایه‌ای تازه فراهم می‌کند تا با رشد مقیاس رایانه‌های کوانتومی و حرکت آن‌ها به سوی مسائلی بسیار فراتر از توان روش‌های کلاسیک، بتوانند به این سامانه‌ها اعتماد کنند.»

پیامدها برای شبیه‌سازی و کاربردها

روش‌های شبیه‌سازی کلاسیک برای این نوع مسائل، برای برابری با آزمایش کوانتومی به زمان اجرای غیرعملی و بسیار طولانی نیاز دارند. معنای عملی برتری کوانتومی در اینجا همین است: نه فقط یک شتاب نظری، بلکه کاهش واقعی زمان رسیدن به پاسخ برای کاری که از نظر کلاسیک رام‌نشدنی است.

با این حال، برتری کوانتومی که روی یک معیار آزمایشی اندازه‌گیری می‌شود، خودبه‌خود به کاربرد فوری و گسترده تبدیل نمی‌شود. راستی‌آزمایی و تصحیح خطا لایه‌های بنیادی و ضروری هستند. بدون آن‌ها، نتایج ماشین‌های بزرگ‌تر همچنان محل تردید می‌ماند. این نمایش این دو لایه را به هم پیوند می‌زند: نشان می‌دهد سرکوب خطا در سطح منطقی و یک راهبرد اصولی برای راستی‌آزمایی می‌توانند در یک آزمایش واحد همزمان حضور داشته باشند.

گام بعدی چیست

مدارها و نتایج این آزمایش از طریق رهگیر برتری کوانتومی منتشر شده‌اند تا گروه‌های مستقل بتوانند داده‌ها را بررسی کنند و تلاش‌های تازه‌ای برای راستی‌آزمایی کلاسیک انجام دهند. این انتشار عمومی اهمیت زیادی دارد. داده‌های باز با فراهم کردن امکان بررسی حالت‌های شکست، آزمودن رمزگشاهای جدید و اصلاح تاکتیک‌های شبیه‌سازی برای نظریه‌پردازان و آزمایشگران، سرعت پیشرفت را افزایش می‌دهد.

در بلندمدت، تکنیک‌های به‌کاررفته در این پژوهش می‌توانند به بلوک‌های سازنده سامانه‌های تحمل‌پذیر خطا تبدیل شوند؛ سامانه‌هایی که مسائل شیمی، بهینه‌سازی و مواد را هدف می‌گیرند، یعنی حوزه‌هایی که روش‌های کلاسیک در آن‌ها با دشواری روبه‌رو هستند. این مسیر فوری نیست. اما این کار عدم قطعیت‌های کلیدی را درباره اینکه آیا مدارهای کوانتومی بزرگ می‌توانند با قابلیت اعتماد قابل اندازه‌گیری اجرا شوند یا نه، کاهش می‌دهد.

دیدگاه کارشناس

دکتر آمینا پاتل، دانشمند اطلاعات کوانتومی در یک آزمایشگاه ملی، گفت: «این آزمایش از آن جهت قابل توجه است که راستی‌آزمایی را به‌عنوان بخشی جدایی‌ناپذیر از محاسبه در نظر می‌گیرد، نه موضوعی که بعدا به آن پرداخته شود. این طرز فکر اهمیت دارد. وقتی مهندسان بتوانند نه‌تنها بگویند یک ماشین چه کاری انجام داده، بلکه با چه میزان اطمینانی آن را انجام داده است، جامعه علمی می‌تواند با شفافیت و هدفمندی از نمایش‌های آزمایشگاهی به سوی کاربردهای واقعی حرکت کند.»

جمع‌بندی

نمایش آی‌بی‌ام و دانشگاه شیکاگو فراتر از شکستن یک رکورد سرعت است. این کار، رایانش منطقی تصحیح‌خطاشده و راستی‌آزمایی درون‌خطی را به هم متصل می‌کند و مسیری معتبر به سوی محاسبات کوانتومی نشان می‌دهد که هم برای رایانه‌های کلاسیک دشوارند و هم قابل حسابرسی. برای پژوهشگران و ناظران صنعت، این نتیجه یک پیام روشن دارد: سامانه‌های کوانتومی در حال نزدیک شدن به مقیاس و قابلیت اعتمادی هستند که برای حل گونه‌های تازه‌ای از مسائل محاسباتی لازم است.