همین که تلاش می‌کنید تعداد زیادی کیوبیت را هم‌زمان و هماهنگ به کار بگیرید، دقت به‌تدریج آسیب‌پذیر می‌شود. جابه‌جایی‌های کوچک فاز وارد سیستم می‌شوند و خطاهای بسیار ریز تکثیر پیدا می‌کنند. با این حال، گروهی از پژوهشگران ریکن و همکارانشان راهکاری عملی یافته‌اند که دقت کیوبیت‌های اسپینی سیلیکونی را حتی هنگام تحریک هم‌زمان چند کیوبیت حفظ می‌کند؛ گامی که پردازنده‌های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون را به مقیاس کاربردی نزدیک‌تر می‌سازد.
رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون می‌توانند از پیشرفتی مهم در کنترل چند کیوبیت، بدون قربانی کردن دقت، بهره‌مند شوند.
چرا کنترل موازی اهمیت دارد
بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها کارهایی انجام می‌دهند که بیت‌های کلاسیک هرگز قادر به انجام آن نیستند: آن‌ها می‌توانند در برهم‌نهی قرار بگیرند و درهم‌تنیده شوند، در نتیجه به رایانه‌ها امکان می‌دهند هم‌زمان امکان‌های زیادی را بررسی کنند. اما اگر عملیات لازم برای دست‌کاری این کیوبیت‌ها قابل اعتماد نباشد، این مزیت از بین می‌رود. وظایف واقعی در رایانش کوانتومی به اجرای هم‌زمان تعداد زیادی گیت نیاز دارند. درست همین‌جاست که معماری کنترل نقشی تعیین‌کننده پیدا می‌کند، به‌ویژه وقتی هدف ساخت سامانه‌ای بر پایه سیلیکون باشد؛ ماده‌ای که زیربنای میکروالکترونیک مدرن است.
کیوبیت‌های اسپینی سیلیکونی اطلاعات را در اسپین الکترونی که درون یک افزاره سیلیکونی محصور شده است رمزگذاری می‌کنند. مهندسان برای اجرای گیت‌های کوانتومی، این اسپین‌ها را با پالس‌های ریزموج تنظیم می‌کنند. راهکار آشکار برای مقیاس‌پذیری این است که به‌جای اختصاص یک خط کنترل جداگانه و پرهزینه به هر کیوبیت، چند کیوبیت از خطوط کنترل مشترک استفاده کنند. خطوط مشترک سیم‌کشی را کاهش می‌دهند، پیچیدگی تراشه را کم می‌کنند و با شیوه‌های ساخت نیمه‌رسانا سازگارند؛ اما در عین حال اثرات متقاطعی ایجاد می‌کنند که هنگام تحریک هم‌زمان چند کیوبیت می‌تواند وفاداری عملیات را مختل کند.
تیم پژوهشی چگونه مسئله را حل کرد
پژوهشگران با پنج کیوبیت اسپینی سیلیکونی کار کردند که همگی از طریق یک ورودی ریزموج مشترک کنترل می‌شدند. آن‌ها ابتدا طراحی افزاره و شکل‌دهی پالس را تا سطحی بسیار دقیق بهینه کردند. به‌صورت جداگانه، هر کیوبیت به وفاداری گیت تک‌کیوبیتی بالاتر از 99.99 درصد رسید و بهترین نمونه به نزدیکی 99.999 درصد دست یافت. این ارقام از همین حالا در محدوده‌ای قرار دارند که برای بسیاری از راهبردهای مقاوم در برابر خطا لازم است.
اما وقتی کیوبیت‌ها با هم کار می‌کنند، اعداد تغییر می‌کنند. هنگام تحریک هم‌زمان دو یا سه کیوبیت، پروتکل کالیبراسیون این گروه وفاداری را بالاتر از 99.99 درصد نگه داشت. وقتی هر پنج کیوبیت به‌طور هم‌زمان تحریک شدند، وفاداری به حدود 99.9 درصد کاهش یافت؛ رقمی که همچنان به آستانه‌های عملی برای رایانش دارای تصحیح خطا نزدیک است، اما نشان می‌دهد کانال‌های خطای تازه‌ای باید مهار شوند.
مقصر اصلی، جابه‌جایی استارک ناشی از میدان متناوب بود: میدان‌های کنترل ریزموج، ترازهای انرژی مؤثر کیوبیت‌های نزدیک را اندکی تغییر می‌دهند و فاز کوانتومی آن‌ها را از مقدار موردنظر دور می‌کنند. فاز اهمیت زیادی دارد، زیرا عملیات کوانتومی به هم‌راستایی دقیق مؤلفه‌های موج‌مانند در حالت کیوبیت وابسته است. اگر این جابه‌جایی‌ها جبران نشوند، نتیجه گیت‌ها نادرست خواهد بود.
کالیبراسیون جفتی: راهکاری ساده و مقیاس‌پذیر
به‌جای کالیبره کردن همه ترکیب‌های ممکن چندکیوبیتی، رویکردی که با افزایش تعداد کیوبیت‌ها عملاً غیرممکن می‌شود، این گروه یک طرح جبران‌سازی جفتی توسعه داد. یی-هسین وو، که این آزمایش را در دوران دکتری خود هدایت کرده بود، توضیح داد که این روش جابه‌جایی‌های فاز القاشده میان جفت‌های کیوبیت را اندازه‌گیری می‌کند و از همین برهم‌کنش‌های جفتی یک نقشه اصلاح می‌سازد.
می‌توان آن را مانند کوک کردن دوئت‌ها در نظر گرفت، نه هر گروه کر ممکن. وقتی هر جفت اصلاح شود، کل مجموعه بدون نیاز به اندازه‌گیری همه آرایش‌های احتمالی هماهنگ باقی می‌ماند. نتیجه، کنترل موازی پایدار با مراحل کالیبراسیون بسیار کمتر است؛ عاملی که راهبرد خط مشترک را برای آرایه‌های بزرگ‌تر عملی‌تر می‌کند.
لئون کامنزیند، که سرپرستی آزمایش‌ها را بر عهده داشت، می‌گوید: «با پرداختن به یکی از منابع اصلی خطاهای کنترلی از طریق کالیبراسیون جفتی، پژوهش ما از به‌کارگیری خطوط کنترل مشترک به‌عنوان رویکردی عملی برای مقیاس‌پذیر کردن پردازنده‌های کوانتومی پشتیبانی می‌کند.»
سیگو تاروچا، سرپرست پروژه مرتبط با برنامه مون‌شات آژانس علم و فناوری ژاپن، نیز می‌افزاید که کنترل موازی قابل اعتماد، نقطه عطفی بنیادی در مسیر ساخت رایانه کوانتومی سیلیکونی مقاوم در برابر خطاست.
محدودیت‌های باقی‌مانده و مسیرهای پیش رو
همه خطاها از جابه‌جایی فاز ناشی نمی‌شدند. این گروه ناهمدوسی القاشده با تحریک را نیز به‌عنوان عامل دیگری شناسایی کرد: رساندن توان ریزموج بیشتر برای تحریک هم‌زمان چند کیوبیت، برهم‌کنش‌های ناخواسته با محیط را افزایش می‌دهد و زمان همدوسی را کوتاه‌تر می‌کند. این اثر با جابه‌جایی فاز استارک ناشی از میدان متناوب تفاوت دارد و برای کاهش آن به بهبودهای سخت‌افزاری و طراحی نیاز خواهد بود.
راهکارهای احتمالی شامل هندسه دقیق‌تر افزاره، ایزولاسیون بهتر خطوط کنترل، شکل‌دهی پالس برای به حداقل رساندن تحریک خارج از تشدید، و مواد یا راهبردهای سرمایشی است که حساسیت به نویز تحریک را کاهش می‌دهند. هر گزینه میان پیچیدگی و عملکرد نوعی بده‌بستان ایجاد می‌کند، اما کالیبراسیون جفتی بار بخش نرم‌افزاری را به شکل چشمگیری کاهش می‌دهد.
تصویرسازی رندرشده از پنج کیوبیت اسپینی سیلیکونی که به‌صورت موازی از طریق یک خط ریزموج مشترک کنترل می‌شوند.
دیدگاه کارشناس
دکتر مایا رودریگز، مهندس سامانه‌های کوانتومی با تجربه طولانی در کنترل کیوبیت، اظهار کرد: «آنچه این کار را چشمگیر می‌کند، توازن میان کاربردپذیری و عملکرد است. خطوط کنترل مشترک یک کنجکاوی نظری نیستند؛ اگر دستگاه‌هایی با میلیون‌ها کیوبیت بخواهیم، یک ضرورت مهندسی‌اند. راهبرد کالیبراسیون جفتی، مقیاس‌پذیری را فراهم می‌کند بی‌آنکه زمان کالیبراسیون به‌صورت انفجاری افزایش یابد.»
او اضافه می‌کند که هرچند ناهمدوسی ناشی از میدان‌های کنترل قوی‌تر همچنان یک محدودیت جدی است، پیشرفت‌های تدریجی در مهندسی پالس و چیدمان افزاره معمولاً روی هم انباشته می‌شوند: بهبودهای کوچک امروز در همدوسی و وفاداری کنترل، فردا راه را برای لایه‌های پیچیده‌تر تصحیح خطای کوانتومی باز می‌کند.
جمع‌بندی
آزمایش گروه ریکن نشان می‌دهد کیوبیت‌های اسپینی سیلیکونی حتی تحت تحریک موازی می‌توانند وفاداری تک‌کیوبیتی بسیار بالایی را حفظ کنند و یک پروتکل کالیبراسیون جفتی هدفمند می‌تواند منبع بزرگی از خطا، یعنی جابه‌جایی استارک ناشی از میدان متناوب، را جبران کند. چالش‌های باقی‌مانده، به‌ویژه ناهمدوسی القاشده با تحریک، به بهبودهای سخت‌افزاری و مواد اشاره دارند. این پیشرفت‌ها در کنار هم، سیلیکون را همچنان در فهرست گزینه‌های اصلی برای پردازنده‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر نگه می‌دارند؛ پردازنده‌هایی که از دانش موجود در ساخت نیمه‌رساناها بهره می‌گیرند.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات
هنوز نظری ثبت نشده. اولین نفر باشید.