تقول شركة جوجل إنها حققت اختراقًا في الحوسبة الكمومية يقلل الأخطاء

يزعم باحثو جوجل أنهم حققوا تقدمًا في تصحيح الأخطاء الكمية، وهو ما قد يمهد الطريق أمام أجهزة الكمبيوتر الكمية التي تفي أخيرًا بوعود التكنولوجيا.

يقول أنصار أجهزة الكمبيوتر الكمومية إن هذه الآلات سوف تكون قادرة على الاستفادة من الاكتشاف العلمي في مجالات تتراوح من فيزياء الجسيمات إلى تصميم الأدوية والمواد – إذا تمكن مطوروها من جعل الأجهزة تتصرف كما هو مقصود.

كان أحد التحديات الرئيسية هو أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها تخزين المعلومات أو معالجتها بشكل غير صحيح، مما يمنعها من تنفيذ خوارزميات طويلة بما يكفي لتكون مفيدة. يوضح البحث الجديد من Google Quantum AI وشركائها الأكاديميين أنه يمكنهم بالفعل إضافة مكونات لتقليل هذه الأخطاء. في السابق، بسبب القيود في الهندسة، كان إضافة المزيد من المكونات إلى الكمبيوتر الكمومي يميل إلى إدخال المزيد من الأخطاء. في النهاية، يعزز العمل فكرة أن تصحيح الأخطاء هو استراتيجية قابلة للتطبيق نحو بناء كمبيوتر كمومي مفيد. كان بعض النقاد يشككون في أنه كان نهجًا فعالًا، وفقًا للفيزيائي كينيث براون من جامعة ديوك، الذي لم يشارك في البحث.

“إن تصحيح الأخطاء هذا يعمل حقًا، وأعتقد أنه سيتحسن فقط”، هكذا كتب مايكل نيومان، أحد أعضاء فريق Google، على X. (Google، التي”https://arxiv.org/html/2408.13687v1″>نشر البحث (تم إرسال المقال إلى خادم الطباعة المسبقة arXiv في أغسطس/آب، ورفض التعليق على السجل الخاص بهذه القصة.)

تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتشفير البيانات باستخدام كائنات تتصرف وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم. وعلى وجه الخصوص، فهي تخزن المعلومات ليس فقط كـ 1رمل 0كما يفعل الكمبيوتر التقليدي، ولكن أيضًا في “تراكبات” من 1 و 0إن تخزين المعلومات في شكل هذه التراكبات والتلاعب بقيمتها باستخدام التفاعلات الكمومية مثل التشابك (طريقة لربط الجسيمات حتى على مسافات طويلة) يسمح بأنواع جديدة تمامًا من الخوارزميات.

ولكن في الممارسة العملية، وجد مطورو أجهزة الكمبيوتر الكمومية أن الأخطاء تتسلل بسرعة لأن مكوناتها حساسة للغاية. ويمثل الكمبيوتر الكمومي 1, 0أو تراكب عن طريق وضع أحد مكوناته في حالة فيزيائية معينة، ومن السهل جدًا تغيير تلك الحالات عن طريق الخطأ. ثم ينتهي الأمر بأحد المكونات في حالة فيزيائية لا تتوافق مع المعلومات التي من المفترض أن يمثلها. تتراكم هذه الأخطاء بمرور الوقت، مما يعني أن الكمبيوتر الكمومي لا يمكنه تقديم إجابات دقيقة للخوارزميات الطويلة دون تصحيح الأخطاء.

ولإجراء تصحيح الأخطاء، يتعين على الباحثين تشفير المعلومات في الكمبيوتر الكمومي بطريقة مميزة. وتتكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية من مكونات فردية تُعرف باسم البتات الكمومية الفيزيائية، والتي يمكن تصنيعها من مجموعة متنوعة من المواد المختلفة، مثل الذرات أو الأيونات المفردة. وفي حالة جوجل، يتكون كل بت كمومي فيزيائي من دائرة فائقة التوصيل صغيرة الحجم يجب الحفاظ عليها في درجة حرارة شديدة البرودة.

كانت التجارب المبكرة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية تخزن كل وحدة من المعلومات في كيوبت مادي واحد. والآن بدأ الباحثون، بما في ذلك فريق جوجل، في تجربة ترميز كل وحدة من المعلومات في كيوبتات مادية متعددة. ويشيرون إلى هذه المجموعة من الكيوبتات المادية باعتبارها كيوبتًا “منطقيًا” واحدًا، والذي يمكن أن يمثل 1, 0أو تراكب الاثنين. من خلال التصميم، يمكن للكيوبت “المنطقي” الفردي الاحتفاظ بوحدة من المعلومات بشكل أكثر قوة من كيوبت “مادي” واحد. يصحح فريق جوجل الأخطاء في الكيوبت المنطقي باستخدام خوارزمية تُعرف باسم الكود السطحي، والتي تستخدم الكيوبتات الفيزيائية المكونة للكيوبت المنطقي.

في العمل الجديد، صنعت جوجل كيوبت منطقي واحد من أعداد مختلفة من كيوبتات مادية. والأمر الحاسم هو أن الباحثين أثبتوا أن كيوبت منطقي مكون من 105 كيوبتات مادية قمع الأخطاء بشكل أكثر فعالية من كيوبت منطقي مكون من 72 كيوبت. وهذا يشير إلى أن وضع أعداد متزايدة من كيوبتات مادية معًا في كيوبت منطقي “يمكن أن يقمع الأخطاء حقًا”، كما يقول براون. وهذا يرسم مسارًا محتملًا لبناء كمبيوتر كمي بمعدل خطأ منخفض بما يكفي لأداء خوارزمية مفيدة، على الرغم من أن الباحثين لم يثبتوا بعد أنهم قادرون على وضع كيوبتات منطقية متعددة معًا وتوسيع نطاقها إلى جهاز أكبر.

ويشير الباحثون أيضًا إلى أن عمر البت الكمومي المنطقي يتجاوز عمر أفضل بت كمومي مادي مكون له بعامل 2.4. وبعبارة أخرى، يوضح عمل جوجل بشكل أساسي أنه يمكنه تخزين البيانات في “ذاكرة” كمية موثوقة.

ولكن هذا العرض ما هو إلا خطوة أولى نحو حاسوب كمي قادر على تصحيح الأخطاء، كما يقول جاي جامبيتا، نائب رئيس مبادرة الكم في شركة آي بي إم. ويشير إلى أنه في حين أثبتت شركة جوجل أنها تمتلك ذاكرة كمومية أكثر قوة، فإنها لم تقم بأي عمليات منطقية على المعلومات المخزنة في تلك الذاكرة.

“في نهاية المطاف، ما يهم هو: ما مدى حجم الدائرة الكمومية التي يمكنك تشغيلها؟” كما يقول. (الدائرة الكمومية هي سلسلة من العمليات المنطقية التي يتم تنفيذها على جهاز كمبيوتر كمي.) “وهل لديك مسار يوضح لك كيف ستشغل دوائر كمومية أكبر وأكبر؟”

تتخذ شركة آي بي إم، التي تتكون حواسيبها الكمومية أيضًا من كيوبتات مصنوعة من دوائر فائقة التوصيل، نهجًا لتصحيح الأخطاء يختلف عن طريقة الكود السطحي لشركة جوجل. وتعتقد أن هذه الطريقة، المعروفة باسم كود التحقق من التكافؤ منخفض الكثافة، ستكون أسهل في التوسع، حيث يتطلب كل كيوبت منطقي عددًا أقل من كيوبتات مادية لتحقيق معدلات قمع أخطاء قابلة للمقارنة. وبحلول عام 2026، تعتزم آي بي إم إثبات قدرتها على صنع 12 كيوبتًا منطقيًا من 244 كيوبتًا مادية، كما يقول جامبيتا.

كما يستكشف باحثون آخرون طرقًا واعدة أخرى. فبدلاً من الدوائر الفائقة التوصيل، يستخدم فريق تابع لشركة الحوسبة الكمومية QuEra ومقرها بوسطن ذرات محايدة كبتات كمومية مادية. وفي وقت سابق من هذا العام،”https://www.nature.com/articles/s41586-023-06927-3″>تم نشره في طبيعة دراسة تظهر أنها تمكنت من تنفيذ خوارزميات باستخدام ما يصل إلى 48 كيوبت منطقي مكون من ذرات الروبيديوم.

ويحذر جامبيتا الباحثين من التحلي بالصبر وعدم المبالغة في تقدير التقدم. ويقول: “لا أريد أن يعتقد المجال أن تصحيح الأخطاء قد تم”. إن تطوير الأجهزة يستغرق وقتاً طويلاً لأن دورة التصميم والبناء واستكشاف الأخطاء وإصلاحها تستغرق وقتاً طويلاً، وخاصة عند مقارنتها بتطوير البرمجيات. ويقول: “لا أعتقد أن هذا الأمر يقتصر على الكم”.

يقول براون إن تنفيذ الخوارزميات بفائدة عملية مضمونة يتطلب من الحاسوب الكمومي إجراء نحو مليار عملية منطقية. ويضيف: “ولم يقترب أحد من تحقيق مليار عملية حتى الآن”. ومن بين الإنجازات الأخرى إنشاء حاسوب كمومي يحتوي على 100 كيوبت منطقي، وهو ما حددته شركة QuEra كهدف لها بحلول عام 2026. وسيكون الحاسوب الكمومي بهذا الحجم قادراً على إجراء عمليات محاكاة تتجاوز قدرة الحواسيب التقليدية. وقد صنع علماء جوجل كيوبت منطقياً واحداً عالي الجودة ــ ولكن الخطوة التالية هي إثبات قدرتهم على القيام بشيء ما به بالفعل.