پایان واکنش‌های شبح‌وار؟ پژوهشگران انتقال کوانتومی را با کیوبیت‌های منطقی مهار می‌کنند
فکر اینکه بتوان از یک مکان به مکان دیگر هنگام ترافیک سنگین تله‌پورت کرد، ایده‌ای است که همگی ما آن را تصور کرده‌ایم و ریشه در داستان‌های علمی تخیلی دارد.
در واقعیت، تله‌پورتیشن امکان‌پذیر نیست و هیچ مکانیزم فیزیکی از آن حمایت نمی‌کند. اما در دنیای کوانتوم، تله‌پورتیشن کوانتومی به عنوان راهبردی برای انتقال اطلاعات کوانتومی از یک نقطه به نقطه دیگر شناخته شده است.
تله‌پورتیشن کوانتومی شامل انتقال اطلاعات کوانتومی بین مکان‌های دور به وسیله آنچه ذرات درهم‌تنیده نامیده می‌شود، است. این یک الگوی قدرتمند در پروتکل‌های ارتباطی کوانتومی است اما با چالش‌های متعددی مواجه است زیرا بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها به شدت مستعد خطا هستند.
اکنون، دانشمندان راهی برای دستیابی به تله‌پورتیشن کوانتومی با دقت بالا با استفاده از کیوبیت‌های منطقی یافته‌اند. این مطالعه توسط پژوهشگران شرکت کوانتینووم، یک شرکت محاسبات کوانتومی مستقر در کلرادو، آمریکا هدایت شد.
Interesting Engineering (IE) با یکی از همکاران این مطالعه، دیوید هایز، مدیر نظریه و طراحی محاسبات در Quantinuum گفتگو کرد.
هایز به IE توضیح داد: "تله‌پورتیشن کوانتومی یک تکنیک مهم است که امکان جابجایی سریع اطلاعات کوانتومی را فراهم می‌کند و پردازش سریع‌تری در محاسبات کوانتومی را ممکن می‌سازد. این تکنیک همچنین به عنوان معیاری برای پیشرفت عمومی استفاده می‌شود، زیرا نیازمند چندین عملیات پیچیده برای همکاری است."
برای درک بیشتر دستاورد و کار آنها، ابتدا باید بدانیم تله‌پورتیشن کوانتومی چگونه کار می‌کند که با درهم‌تنیدگی آغاز می‌شود.
عملکرد شبح‌وار از راه دور
قلب تله‌پورتیشن کوانتومی فرآیند درهم‌تنیدگی است که یکی از دو ستون بنیادی فناوری کوانتوم است. دومین مورد ابرموقعیت است که به کیوبیت‌ها اجازه می‌دهد به طور همزمان در چندین حالت مختلف وجود داشته باشند.
درهم‌تنیدگی به وضعیت‌هایی اشاره دارد که در آن کیوبیت‌ها، که معادل‌های کوانتومی بیت‌های کلاسیک (0 و 1) هستند، همبسته یا مرتبط هستند. هر کیوبیت اطلاعات کوانتومی را در حالت خود نگه می‌دارد.
این همبستگی به این معنی است که حالت کوانتومی هر کیوبیت درهم‌تنیده را نمی‌توان به طور مستقل توصیف کرد - اندازه‌گیری یکی از کیوبیت‌ها بلافاصله حالت شریک درهم‌تنیده آن را تعیین می‌کند، بدون توجه به فاصله. این همان چیزی است که انیشتین این پدیده را عملکرد شبح‌وار از راه دور نامید.
اندازه‌گیری حالت یک کیوبیت اطلاعات آن را فاش می‌کند اما همچنین ویژگی‌های کوانتومی آن را نیز فروپاشی می‌کند، به این معنی که ابرموقعیت را از دست می‌دهیم و کیوبیت مانند یک بیت کلاسیک رفتار می‌کند.
این فروپاشی ناشی از اندازه‌گیری دلیل لزوم تله‌پورتیشن کوانتومی به جای کپی‌برداری ساده است برای انتقال اطلاعات کوانتومی.
تله‌پورتیشن کوانتومی چگونه کار می‌کند
هایز توضیح داد: "تله‌پورتیشن کوانتومی از همبستگی‌های توزیع‌شده و اندازه‌گیری میانی مدار برای جابجایی اطلاعات کوانتومی با سرعت اطلاعات کلاسیک استفاده می‌کند. این مهم است زیرا جابجایی اطلاعات کوانتومی به‌طور معروف دشوار یا کند است، و این پروتکل این کندی را برای رایانه‌های کوانتومی دور می‌زند."
این فرآیند با یک جفت کیوبیت درهم‌تنیده که بین فرستنده (آلیس) و گیرنده (باب) به اشتراک گذاشته می‌شوند آغاز می‌شود. آلیس یک کیوبیت حاوی اطلاعات دارد که باید به باب تله‌پورت کند.
برای انجام این کار، او یک درهم‌تنیدگی بین کیوبیت اطلاعات و نیمی از کیوبیت درهم‌تنیده خود ایجاد می‌کند. سپس آلیس یک اندازه‌گیری مشترک خاص به نام اندازه‌گیری بل بر روی هر دو کیوبیت به‌طور همزمان انجام می‌دهد و سپس وضعیت‌های اولیه کوانتومی نابود می‌شوند.
این اندازه‌گیری تعیین می‌کند که چگونه دو کیوبیت با یکدیگر همبسته‌اند، و دو بیت اطلاعات کلاسیک که به باب می‌گوید چه عملیاتی برای بازپس‌گیری اطلاعاتی که آلیس می‌خواهد منتقل کند انجام دهد.
باب سپس عملیات خاصی به نام اصلاحات پاولی را بر روی نیمه درهم‌تنیده خود انجام می‌دهد. این کار کیوبیت او را به وضعیت دقیق کیوبیت اطلاعات اولیه آلیس تبدیل می‌کند. حالت کوانتومی بدون ایجاد هیچگونه کپی‌ای و بدون اینکه نیازی به دانستن خود حالت باشد، تله‌پورت شده است.
با این حال، این فرآیند به دلیل وجود نویز با چالش‌هایی روبرو است، به همین دلیل پژوهشگران بر روی اجرای تصحیح خطا برای حفظ اطلاعات کوانتومی در حین تله‌پورتیشن متمرکز شده‌اند.
نیاز به تصحیح خطا
تصحیح خطا مجموعه‌ای از تکنیک‌هایی است که برای حذف نویزهایی که در اطلاعات دخالت می‌کنند استفاده می‌شود. در محاسبات کلاسیک، افزونگی برای ایجاد چندین نسخه از داده‌ها استفاده می‌شود.
با این حال، اطلاعات کوانتومی نمی‌تواند به دلیل قضیه عدم کپی برداری کپی شود. به دلیل مکانیک کوانتومی، اندازه‌گیری یک حالت کوانتومی باعث اختلال در آن حالت می‌شود، بنابراین نمی‌توان تمام اطلاعات مورد نیاز برای ساخت یک کپی کامل را استخراج کرد.
این بدان معنی است که تصحیح خطای کوانتومی نیازمند رویکرد متفاوتی است.
به جای ساخت کپی، اطلاعات کوانتومی به چندین کیوبیت فیزیکی که به طور مشترک کار می‌کنند یعنی یک کیوبیت منطقی پخش می‌شود. این کیوبیت‌های فیزیکی همبسته هستند و ایجاد افزونگی می‌کنند در حالیکه ویژگی‌های کوانتومی اطلاعات را حفظ می‌کنند.
برای درک این موضوع، یک پروژه گروهی را تصور کنید که اطلاعات در بین اعضای آن به اشتراک گذاشته می‌شود. هر عضو بخش خاصی از اطلاعات درباره پروژه دارد. در صورت فراموش کردن یک عضو، می‌توان کل پروژه را به دلیل اطلاعات مرتبطی که توسط دیگران نگه‌داری می‌شود بازیابی کرد.
به طور مشابه، اگر یکی از کیوبیت‌های فیزیکی خراب شود، کیوبیت منطقی می‌تواند با استفاده از اطلاعات دیگر کیوبیت‌های همبسته بازیابی شود، مشابه با اینکه پروژه گروهی می‌تواند با استفاده از دانش به‌اشتراک‌گذاری شدۀ دیگر اعضا بازسازی شود.
در این مطالعه، پژوهشگران این مفهوم را با استفاده از کد استین اجرا کردند، که در آن هفت کیوبیت فیزیکی با یکدیگر کار می‌کنند تا یک کیوبیت منطقی ایجاد کنند.
استفاده از 30 کیوبیت
تیم پژوهشی از پردازنده یون‌گیرایی H2 کوانتینووم برای پیاده‌سازی پروتکل تله‌پورتیشن خود به عنوان سخت‌افزار استفاده کرد.
آنها به طور کلی از 30 کیوبیت فیزیکی استفاده کردند. هر کیوبیت به عنوان یک یون به‌دام‌افتاده واحد پیاده‌سازی شده است که در فضای آزاد با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی معلق است و با لیزر به منظور ایجاد درهم‌تنیدگی کنترل می‌شود.
برای پیاده‌سازی تصحیح خطا، پژوهشگران از کد استین استفاده کردند که از هفت کیوبیت فیزیکی که به عنوان یک گروه برای رمزگذاری یک کیوبیت منطقی به‌کار می‌روند تشکیل شده است.
ترکیب شامل سه کیوبیت منطقی به طور کلی - کیوبیت‌های اطلاعات، و کیوبیت‌های فرستنده و گیرنده درهم‌تنیده بود. این شامل 21 از 30 کیوبیت فیزیکی کل بود.
این فزونی نه کیوبیت که به عنوان کیوبیت‌های اانسیلا شناخته می‌شوند، در واقع کیوبیت‌های کمکی هستند، و سه کیوبیت فیزیکی برای نگه‌داری از خطاها برای هر کیوبیت منطقی استفاده می‌شدند.
این کیوبیت‌های اضافی اطلاعات کوانتومی را ذخیره نمی‌کنند، اما کمک به کشف و تصحیح خطاها در هفت کیوبیت فیزیکی که هر کیوبیت منطقی را تشکیل می‌دهند، می‌کنند.
کد تصحیح خطای کوانتومی، یعنی کد استین، در طول فرآیند در هر مرحله به طور مداوم اعمال شد تا اطلاعات کوانتومی منتقل‌شده حفظ شود.
برای درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها، پژوهشگران از دو رویکرد استفاده کردند.
دو مسیر، یک هدف
دروازه‌های عرضی
در این روش از دروازه‌های عرضی برای انجام فرآیند تله‌پورتیشن استفاده می‌شود. دروازه‌های عرضی عملیات یکنواخت را بر کیوبیت‌های فیزیکی اعمال می‌کنند تا از گسترش خطاها جلوگیری کنند.
ایده اصلی این است که عملیات دروازه منطقی می‌تواند با اعمال مجموعه‌ای از دروازه‌های سطح فیزیکی به صورت موازی بر روی چند کیوبیت فیزیکی که کیوبیت منطقی را تشکیل می‌دهند پیاده‌سازی شود. به عبارت دیگر، انجام همان عملیات به طور همزمان بر روی تمام کیوبیت‌های مشابه است.
این اجازه می‌دهد که عملیات دروازه منطقی به‌صورت مقاوم در برابر خطا انجام شود، زیرا خطاهای در کیوبیت‌های فیزیکی فردی می‌توانند با استفاده از افزونگی رمزگذاری کیوبیت منطقی شناخته و تصحیح شوند.
این روش نیاز به اتصال تمام کیوبیت‌های فیزیکی به یکدیگر دارد، که این روش را کمتر قابل مقیاس و بیشتر منبع‌محور می‌کند.
جراحی شبکه‌ای
جراحی شبکه‌ای شامل دستکاری فیزیکی چیدمان کیوبیت‌های فیزیکی است که کیوبیت‌های منطقی را تشکیل می‌دهند. این روش به کاربرد عملیات بین کیوبیت‌های مجاور متکی است.
ایده اصلی اینجا این است که اطلاعات از طریق زنجیره‌ای از کیوبیت‌های مجاور منتقل می‌شود، که اجازه می‌دهد عملیات منطقی پیچیده‌تری پیاده‌سازی شود که دروازه‌های عرضی نمی‌توانند.
این روش بسیار مقیاس‌پذیرتر است زیرا نیازی به اتصال تمام کیوبیت‌های فیزیکی به یکدیگر ندارد.
هایز در مورد مقایسه این دو روش گفت: "هر دو روش تکنیک‌هایی هستند که برای درهم‌تنیدگی کیوبیت‌های منطقی استفاده می‌شوند. دروازه‌های عرضی ساده‌تر از دو روش هستند اما معمولاً تنها برای سیستم‌هایی با اتصال به هر از همه در دسترس است."
"جراحی شبکه‌ای تکنیکی است که به کیوبیت‌های غیرقابل حرکت (اتصال همسایگی نزدیک) اجازه می‌دهد گیت‌های درهم‌تنیدگی را پیاده‌سازی کند و معمولاً در معماری‌های کیوبیت‌های ابررسانا مرکزی است. این اولین آزمایشی است که این دو روش را بر روی همان پلتفرم با شرایط نویز یکسان مقایسه می‌کند."
وفاداری بهتر به معنای تحمل خطای بالاتر نیست
در فناوری کوانتومی، نتایج با معیار وفاداری اندازه‌گیری می‌شود، به معنی اینکه وضعیت خروجی چقدر با وضعیت هدف مورد نظر نزدیک است. یک وفاداری برابر با یک نشان‌دهنده‌ی حفظ کامل وضعیت کوانتومی است، در حالی که وفاداری پایین‌تر نشان‌دهنده‌ی خطاها و انحرافات است.
داده‌ها نشان دادند که اجرای سطحی فیزیکی پروتکل تله‌پورتیشن وفاداری برتری نسبت به روش‌های تله‌پورتیشن سطح منطقی داشت که تیم تحقیقاتی مورد مطالعه قرار دادند.
وفاداری‌ها به ترتیب حدود 0.989، 0.975، و 0.851 برای تله‌پورتیشن سطح فیزیکی، دروازه‌های عرضی و جراحی شبکه‌ای اندازه‌گیری شدند.
دلیل این موضوع این است که تله‌پورتیشن سطح فیزیکی نیاز به رمزگذاری کیوبیت‌ها به ساختار کیوبیت منطقی ندارد. فرآیند رمزگذاری برخی از خطاهای اضافی و نویز اضافه می‌کند، که وفاداری پروتکل‌های تله‌پورتیشن سطح منطقی را در مقایسه با سطح فیزیکی کاهش می‌دهد.
با این حال، روش‌های تله‌پورتیشن سطح منطقی، علیرغم داشتن وفاداری خام کمی پایین‌تر، تحمل خطای بیشتری نسبت به تله‌پورتیشن سطح فیزیکی نشان دادند. این به دلیل تصحیح خطایی است که در هر مرحله انجام می‌شود، که کیوبیت‌های منطقی را نسبت به خطاها مقاوم‌تر می‌کند.
در مورد نتایج، هایز گفت: "وفاداری عرضی در یا نزدیک معروف به نقطه برابری است که در آن نظریه تصحیح خطای کوانتومی می‌گوید اکنون می‌توانیم تعداد کیوبیت‌ها در سیستم را مقیاس دهیم و اجازه‌‌دهیم کدهای تصحیح خطا کار را برای کاهش نرخ خطا به کار ببرند و محاسبات کوانتومی مقیاس‌پذیر را ممکن می‌سازند."
نتیجه‌گیری
اثبات تله‌پورتیشن کوانتومی با یک کیوبیت منطقی نمایان‌گر یک گام مهم در فناوری‌های کوانتومی، به‌ویژه محاسبات کوانتومی، است که نیاز به کیوبیت‌های مقاوم به خطا دارد.
استفاده از دو روش مختلف همچنین به ما این فرصت را می‌دهد که وفاداری‌ها را برای بهینه‌سازی بازده و تحمل خطا مقایسه کنیم.
با این حال، فناوری همچنان با چالش‌هایی در زمینه مقیاس‌پذیری رویکرد رمزگذاری، افزایش پیچیدگی تصحیح خطای موثر به عنوان مقیاس سیستم، و اطمینان از ماندگاری پروتکل‌ها علیرغم محدودیت‌های سخت‌افزاری دنیای واقعی و نویز مواجه است.
پژوهشگران از این چالش‌ها آگاه هستند و برای کاهش بیشتر سطوح خطا تلاش می‌کنند. این مقاله در مجله Science منتشر شده است.
