تکنولوژی
بازه کوانتومی بی‌نظیر با دقت ۹۹٫۹٪ وعده محاسبات بدون خطا را می‌دهد
محققان از مرکز محاسبات کوانتومی RIKEN و توشیبا در ژاپن یک بازه جدید کوانتومی با دقت بالا را توسعه داده‌اند که استفاده از آن می‌تواند عملکرد دستگاه‌های کوانتومی در مقیاس متوسط و پر سر و صدای امروزی (NISQ) را بهبود بخشد. این بازه که از یک کوپلر دابل-ترانسمون استفاده می‌کند، قادر است با کنترل دقیق تعامل دو کوبیت، خطاهای نشتی و دکوهرنس را به حداقل برساند؛ که این امر به اجرای محاسبات کوانتومی با دقت بسیار بالا منجر می‌شود.
مانند گیت‌های منطقی در کامپیوترهای کلاسیک، کاربردهای محاسبات کوانتومی نیاز به گیت‌های کوانتومی دارند تا حالت کوبیت‌ها را تغییر دهند و به آن‌ها امکان انجام محاسبات پیچیده را بدهند. با این حال، تنها گیت‌های کوانتومی با دقت بالا می‌توانند به عملیات محاسبات کوانتومی قدرتمند و قابل‌اعتماد منجر شوند. دقت به این معناست که یک گیت کوانتومی با چه دقتی یک عملیات موردنظر را انجام می‌دهد. این اندازه‌گیری نزدیکترین خروجی واقعی به خروجی ایده‌آل است. دقت بالا یعنی گیت همانگونه که انتظار می‌رود با کمترین خطا کار می‌کند. این امر در محاسبات کوانتومی بسیار مهم است زیرا حتی خطاهای کوچک می‌توانند در طول زمان انباشته شوند و کل محاسبه‌ای که یک کامپیوتر کوانتومی انجام می‌دهد را خراب کنند. یک مطالعه جدید از محققان مرکز محاسبات کوانتومی RIKEN و توشیبا در ژاپن، یک گیت کوانتومی با دقت بالا را معرفی می‌کند که بهبود چشمگیری در عملکرد دستگاه‌های کوانتومی در مقیاس متوسط و پر سر و صدای موجود ارائه می‌دهد.
تحقیق جدید از کوپلر دابل-ترانسمون (DTC) استفاده می‌کند، یک جزئی که امکان کنترل دقیق بر تعامل دو کوبیت را فراهم می‌آورد. این جزء به عنوان یک پل عمل می‌کند که به کوبیت‌ها کمک می‌کند به طور مؤثر ارتباط و همکاری کنند، دقت و قابلیت‌اعتماد عملیات‌های محاسبات کوانتومی را بهبود می‌بخشد. با این حال، تا به حال، DTC تنها یک مفهوم نظری بود. "ما اولین تحقق تجربی DTC را گزارش می‌دهیم"، نویسندگان مطالعه اشاره کردند. دستگاه DTC تحقق یافته مانند یک رابط تنظیم‌پذیر برای کوبیت‌ها عمل می‌کند. این دستگاه از دو ترانسمون با فرکانس ثابت ساخته شده است که از طریق یک تقاطع جوزفسون اضافه به هم متصل شده‌اند – یک دستگاه کوچک که از یک لایه بسیار نازک غیر-ابررسانا واقع بین دو ابررسانا ساخته شده است. تقاطع جوزفسون اجازه می‌دهد تا جریان بدون مقاومت در شرایط خاص مکانیک کوانتومی جریان یابد، که نقش مهمی در حفظ حالت‌های کوبیت مورد نیاز دارد. این طراحی منحصر به فرد DTC یک چالش کلیدی در محاسبات کوانتومی را حل می‌کند؛ ایجاد سخت‌افزاری که کوبیت‌ها را با دقت بالا و خطای کم متصل می‌کند. به عنوان مثال، زمانی که نویسندگان مطالعه گیت کوانتومی مبتنی بر DTC را آزمایش کردند، "دقت گیت‌های 99.9٪ برای گیت‌های دوکوبیته و 99.98٪ برای گیت‌های یک‌کوبیته" به دست آمد. نویسندگان مطالعه افزودند: "میانگین دقت گیت که از 99.9% فراتر برود، به عنوان مثال نه تنها محاسبات کوانتومی تحمل خطا با اصلاح خطا را ممکن می‌سازد بلکه کاهش مؤثر خطا در دستگاه‌های کوانتومی در مقیاس متوسط و پر سر و صدای امروزی را نیز فراهم می‌آورد." NISQها کامپیوترهای کوانتومی بدوی هستند که تعداد محدودی کوبیت دارند (تنها بین چند ده تا چندصد). نوع کنونی آن‌ها مستعد خطاها و نویز است اما امیدواریم گیت جدید بتواند این چالش‌ها را برطرف کند.
آنچه که گیت مبتنی بر DTC را خاص می‌کند، توانایی مدیریت دو نوع اصلی از خطاهایی است که باعث خرابی سیستم‌های کوانتومی می‌شود؛ خطای نشتی و خطای دکوهرنس. اولی زمانی رخ می‌دهد که یک کوبیت حالت خود را تغییر دهد، از حالت کوانتومی مورد نظرش به یک حالت ناخواسته دیگر منتقل شود. دکوهرنس، از سوی دیگر، زمانی مشاهده می‌شود که یک کوبیت ویژگی‌های خود مانند سوپرپوزیشن، هم‌کوهری، یا درهم‌تنیدگی را تحت تأثیر محیط خود از دست دهد. گیت تازه‌توسعه‌یافته یک حالت متعادل را حفظ می‌کند و حتی در حالت کوبیت‌های انحراف یافته (کوبیت‌هایی که عمداً قرار است بر روی فرکانسی کار کنند که با فرکانس طبیعی آن‌ها متفاوت است، برای جلوگیری از تداخل با سایر کوبیت‌های اطرافشان) به دقت بالایی دست می‌یابد. نیکامورا، یکی از نویسندگان مطالعه و مدیر مرکز محاسبات کوانتومی RIKEN اظهار داشت: "توانایی این دستگاه در اجرا با کوبیت‌های بسیار انحراف‌یافته، آن را به یک جزء ساختمانی تطبیق‌پذیر و رقابتی برای انواع معماری‌های محاسبات کوانتومی مبدل می‌کند." این گیت می‌تواند برای هر دو برنامه‌های محاسبات کوانتومی فعلی و آینده مورد استفاده قرار گیرد. امیدواریم که توسعه دستگاه‌های کوانتومی دقیق و قابل‌اعتماد را تقویت کند. این مطالعه در مجله
Physical Review X
منتشر شده است.
