في تقدم طال انتظاره، أظهر باحثو جوجل أنهم قادرون على قمع الأخطاء في الكيوبتات الحساسة، وهي العنصر الأساسي الذي يحدد وعد الحوسبة الكمومية. من خلال توزيع معلومات "كيوبت منطقي" واحد عبر عدة كيوبتات مادية زائدة عن الحاجة، تمكنوا من جعله يستمر لفترة أطول من الحالة الكمومية الهشة لأي من الكيوبتات المادية، وفقًا لتقرير نُشر اليوم في مجلة Nature.
يقول كيفن ساتزينغر، الفيزيائي في فريق Google Quantum AI: "هذه النتيجة هي ما يقنعني بأننا يمكننا بالفعل بناء حاسوب كمي كبير يعمل بكفاءة". كما يشير سكوت آرونسون، عالم الحوسبة النظرية في جامعة تكساس في أوستن، إلى أن العمل "يمثل بوضوح علامة فارقة مثيرة في هذا المجال"، لكنه يلاحظ أن باحثين آخرين يعملون على أنواع مختلفة من الكيوبتات يقتربون أيضًا من تصحيح الأخطاء عمليًا.
يقول كيفن ساتزينغر، الفيزيائي في فريق Google Quantum AI: "هذه النتيجة هي ما يقنعني بأننا يمكننا بالفعل بناء حاسوب كمي كبير يعمل بكفاءة". كما يشير سكوت آرونسون، عالم الحوسبة النظرية في جامعة تكساس في أوستن، إلى أن العمل "يمثل بوضوح علامة فارقة مثيرة في هذا المجال"، لكنه يلاحظ أن باحثين آخرين يعملون على أنواع مختلفة من الكيوبتات يقتربون أيضًا من تصحيح الأخطاء عمليًا.
على عكس البِتات التقليدية، التي يمكن ضبطها على 0 أو 1 فقط، يمكن وضع الكيوبت في حالة غريبة حيث يكون في حالتي 0 و1 في الوقت نفسه. يمكن لهذه الخاصية أن تتيح للحاسوب الكمي الكامل حل مشكلات تتجاوز قدرة أقوى الحواسيب الفائقة التقليدية. على سبيل المثال، يمكنه تحليل أعداد ضخمة وفك تشفير الخوارزميات التي كانت حتى وقت قريب هي المعيار لحماية المعلومات على الإنترنت. ومع ذلك، لا تستطيع الحواسيب الكمومية الحالية القيام بأي شيء من هذا القبيل، لأن كيوبتاتها لا يمكنها الحفاظ على حالتها الثنائية الهشة لفترة كافية.
كيوبتات جوجل هي نتاج عقود من الابتكار في تصنيع الرقائق الدقيقة، وهي دوائر فائقة التوصيل تتذبذب فيها تيارات كهربائية. يمثل مستوى الطاقة المنخفض الحالة 0، بينما يمثل المستوى الأعلى الحالة 1. يمكن للموجات الميكروية دفع الدائرة إلى إحدى الحالتين أو كليهما في آنٍ واحد. ولكن الحالة الكمومية للكيوبت فائق التوصيل تدوم فقط لجزء من المللي ثانية قبل أن يؤدي الضجيج البيئي إلى تشويشها، مما قد يؤدي، على سبيل المثال، إلى انقلاب القيم بين 0 و1.
يمكن للحواسيب العادية تصحيح الأخطاء ببساطة عن طريق إنشاء نسخ متعددة من البِت الواحد. يأخذ الحاسوب القراءة من غالبية البِتات كحالة "البت المنطقي" الحقيقية، ويمكنه حتى استنتاج أي من البتات قد تغيرت قيمتها عبر مقارنة أزواج من البتات. لكن هذه الطريقة لا تنجح مع الكيوبتات. ففي ميكانيكا الكم، يحظر "مبرهنة عدم الاستنساخ" نسخ حالة الكيوبت إلى آخر. وحتى لو كان النسخ ممكنًا، فإن قياس الحالة الثنائية الهشة للكيوبت يؤدي عمومًا إلى انهيارها إلى 0 أو 1 فقط.
لتصحيح حالة الكيوبت دون نسخه أو قياسه، يحتاج الباحثون أولًا إلى نشره عبر كيوبتات أخرى باستخدام رابط كمومي دقيق يُعرف بالتشابك. لإنشاء كيوبت منطقي واحد، على سبيل المثال، يمكن تشابك كيوبت في حالة 0 و1 مع اثنين آخرين بحيث يكون الثلاثة جميعًا في حالة 0 وفي الوقت نفسه جميعًا في حالة 1. كما يقوم الباحثون بتشابك "كيوبت مساعد" مع كل زوج من "كيوبتات البيانات" لمراقبتها. ومن خلال قياس الكيوبتات المساعدة فقط، يمكن للباحثين اكتشاف ما إذا كان أي من كيوبتات البيانات قد تغير دون لمسه. ومن حيث المبدأ، يمكنهم بعد ذلك إعادة الكيوبت المتأثر إلى حالته الأصلية.
في الواقع، تتطلب أبسط طريقة لتصحيح الأخطاء شبكة مربعة من كيوبتات البيانات متشابكة مع كيوبتات مساعدة. إذا كانت الكيوبتات المادية غير مستقرة للغاية، فإن الأخطاء تنتشر بسرعة. لكن إذا كانت الكيوبتات المادية وتفاعلاتها نظيفة بدرجة كافية، فإن توسيع مصفوفة الكيوبتات يجعل حالة "الكيوبت المنطقي" المشفر أكثر استقرارًا. وعند نقطة معينة، تتجاوز حالته مدة بقاء الكيوبتات المادية، كما يوضح مايكل نيومان، الفيزيائي في جوجل. ويضيف: "الحد الفاصل هو بشكل أساسي خط سحري عندما يتحول تصحيح الخطأ من كونه عائقًا إلى كونه مفيدًا."
وقد تجاوزت جوجل الآن هذا الحد، جزئيًا بفضل شريحة جديدة تحتوي على 107 كيوبتات. كان الباحثون قد أظهروا سابقًا أنه مع زيادة حجم الكيوبت المنطقي، ينخفض معدل خطئه بشكل طفيف فقط. أما الآن، فقد نجحوا في تحسين الأداء بحيث ينخفض معدل الخطأ بمقدار النصف في كل خطوة مع توسيع الكيوبت المنطقي من تسعة إلى 25 ثم إلى 49 كيوبت بيانات مادية. ويبلغ عمر أطول كيوبت منطقي 291 ميكروثانية، أي 2.4 ضعف مدة بقاء أي من الكيوبتات المادية. تقول باربرا تيرهال، الفيزيائية في جامعة دلفت التقنية: "هذه بالفعل تجربة مقنعة للغاية تُظهر أن تقليل الأخطاء يتحسن بشكل أسي مع حجم الشبكة." وتضيف: "جوجل هي أول فريق يحقق ذلك."
لكن هذا قد يكون محل نقاش. ففي ديسمبر 2023، أظهر باحثون في جامعة هارفارد، الذين يستخدمون ذرات فردية ككيوبتات، أنهم قادرون على تقليل معدل الخطأ في الكيوبت المنطقي من خلال ترميزه على شبكات أكبر من الذرات. وفي عام 2022، أثبت فريق في جامعة ييل تصحيح الأخطاء بما يتجاوز الحد الفاصل في تجربة استخدمت فيها الكيوبتات كأنماط للموجات الميكروية داخل أسطوانة ألمنيوم مجوفة. ومع ذلك، حقق فريق جوجل شيئًا غير مسبوق، كما يقول جون بريسكيل، الفيزيائي النظري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: لقد قاموا بفك تشفير الكيوبتات المساعدة بشكل متكرر أثناء التشغيل، وهو أمر سيكون ضروريًا لاستخدام الكيوبتات المنطقية في العمليات الحسابية.
يمكن لجوجل الآن محاولة تنفيذ عمليات حسابية أساسية باستخدام كيوبتين منطقيين أو أكثر، كما تقول تشارينا تشو، الرئيسة التنفيذية لمختبر Google Quantum AI. وتوضح: "يمكنك تخيل وجود كيوبتات منطقية أصغر بدلًا من كيوبت منطقي واحد كبير، ثم اختبار كيفية تفاعلها مع بعضها البعض."
لكن الفريق لا يزال أمامه طريق طويل للوصول إلى هدفه المتمثل في بناء آلة بحجم مليون كيوبت ومصححة للأخطاء بالكامل، كما يشير عرفان صديقي، الفيزيائي في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. وقد يواجهون عقبات خطيرة على طول الطريق. يقول صديقي: "الفيزياء في هذه التجربة رائعة"، لكنه يحذر: "لكنني لن أشتري الأسهم بعد."
مجلة Science - 12/2024
كيوبتات جوجل هي نتاج عقود من الابتكار في تصنيع الرقائق الدقيقة، وهي دوائر فائقة التوصيل تتذبذب فيها تيارات كهربائية. يمثل مستوى الطاقة المنخفض الحالة 0، بينما يمثل المستوى الأعلى الحالة 1. يمكن للموجات الميكروية دفع الدائرة إلى إحدى الحالتين أو كليهما في آنٍ واحد. ولكن الحالة الكمومية للكيوبت فائق التوصيل تدوم فقط لجزء من المللي ثانية قبل أن يؤدي الضجيج البيئي إلى تشويشها، مما قد يؤدي، على سبيل المثال، إلى انقلاب القيم بين 0 و1.
يمكن للحواسيب العادية تصحيح الأخطاء ببساطة عن طريق إنشاء نسخ متعددة من البِت الواحد. يأخذ الحاسوب القراءة من غالبية البِتات كحالة "البت المنطقي" الحقيقية، ويمكنه حتى استنتاج أي من البتات قد تغيرت قيمتها عبر مقارنة أزواج من البتات. لكن هذه الطريقة لا تنجح مع الكيوبتات. ففي ميكانيكا الكم، يحظر "مبرهنة عدم الاستنساخ" نسخ حالة الكيوبت إلى آخر. وحتى لو كان النسخ ممكنًا، فإن قياس الحالة الثنائية الهشة للكيوبت يؤدي عمومًا إلى انهيارها إلى 0 أو 1 فقط.
لتصحيح حالة الكيوبت دون نسخه أو قياسه، يحتاج الباحثون أولًا إلى نشره عبر كيوبتات أخرى باستخدام رابط كمومي دقيق يُعرف بالتشابك. لإنشاء كيوبت منطقي واحد، على سبيل المثال، يمكن تشابك كيوبت في حالة 0 و1 مع اثنين آخرين بحيث يكون الثلاثة جميعًا في حالة 0 وفي الوقت نفسه جميعًا في حالة 1. كما يقوم الباحثون بتشابك "كيوبت مساعد" مع كل زوج من "كيوبتات البيانات" لمراقبتها. ومن خلال قياس الكيوبتات المساعدة فقط، يمكن للباحثين اكتشاف ما إذا كان أي من كيوبتات البيانات قد تغير دون لمسه. ومن حيث المبدأ، يمكنهم بعد ذلك إعادة الكيوبت المتأثر إلى حالته الأصلية.
في الواقع، تتطلب أبسط طريقة لتصحيح الأخطاء شبكة مربعة من كيوبتات البيانات متشابكة مع كيوبتات مساعدة. إذا كانت الكيوبتات المادية غير مستقرة للغاية، فإن الأخطاء تنتشر بسرعة. لكن إذا كانت الكيوبتات المادية وتفاعلاتها نظيفة بدرجة كافية، فإن توسيع مصفوفة الكيوبتات يجعل حالة "الكيوبت المنطقي" المشفر أكثر استقرارًا. وعند نقطة معينة، تتجاوز حالته مدة بقاء الكيوبتات المادية، كما يوضح مايكل نيومان، الفيزيائي في جوجل. ويضيف: "الحد الفاصل هو بشكل أساسي خط سحري عندما يتحول تصحيح الخطأ من كونه عائقًا إلى كونه مفيدًا."
وقد تجاوزت جوجل الآن هذا الحد، جزئيًا بفضل شريحة جديدة تحتوي على 107 كيوبتات. كان الباحثون قد أظهروا سابقًا أنه مع زيادة حجم الكيوبت المنطقي، ينخفض معدل خطئه بشكل طفيف فقط. أما الآن، فقد نجحوا في تحسين الأداء بحيث ينخفض معدل الخطأ بمقدار النصف في كل خطوة مع توسيع الكيوبت المنطقي من تسعة إلى 25 ثم إلى 49 كيوبت بيانات مادية. ويبلغ عمر أطول كيوبت منطقي 291 ميكروثانية، أي 2.4 ضعف مدة بقاء أي من الكيوبتات المادية. تقول باربرا تيرهال، الفيزيائية في جامعة دلفت التقنية: "هذه بالفعل تجربة مقنعة للغاية تُظهر أن تقليل الأخطاء يتحسن بشكل أسي مع حجم الشبكة." وتضيف: "جوجل هي أول فريق يحقق ذلك."
لكن هذا قد يكون محل نقاش. ففي ديسمبر 2023، أظهر باحثون في جامعة هارفارد، الذين يستخدمون ذرات فردية ككيوبتات، أنهم قادرون على تقليل معدل الخطأ في الكيوبت المنطقي من خلال ترميزه على شبكات أكبر من الذرات. وفي عام 2022، أثبت فريق في جامعة ييل تصحيح الأخطاء بما يتجاوز الحد الفاصل في تجربة استخدمت فيها الكيوبتات كأنماط للموجات الميكروية داخل أسطوانة ألمنيوم مجوفة. ومع ذلك، حقق فريق جوجل شيئًا غير مسبوق، كما يقول جون بريسكيل، الفيزيائي النظري في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: لقد قاموا بفك تشفير الكيوبتات المساعدة بشكل متكرر أثناء التشغيل، وهو أمر سيكون ضروريًا لاستخدام الكيوبتات المنطقية في العمليات الحسابية.
يمكن لجوجل الآن محاولة تنفيذ عمليات حسابية أساسية باستخدام كيوبتين منطقيين أو أكثر، كما تقول تشارينا تشو، الرئيسة التنفيذية لمختبر Google Quantum AI. وتوضح: "يمكنك تخيل وجود كيوبتات منطقية أصغر بدلًا من كيوبت منطقي واحد كبير، ثم اختبار كيفية تفاعلها مع بعضها البعض."
لكن الفريق لا يزال أمامه طريق طويل للوصول إلى هدفه المتمثل في بناء آلة بحجم مليون كيوبت ومصححة للأخطاء بالكامل، كما يشير عرفان صديقي، الفيزيائي في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. وقد يواجهون عقبات خطيرة على طول الطريق. يقول صديقي: "الفيزياء في هذه التجربة رائعة"، لكنه يحذر: "لكنني لن أشتري الأسهم بعد."
مجلة Science - 12/2024