شکستن مرزهای محاسبات کوانتومی با رویکردی نوین

به گزارش خبرنگار علمی و فناوری خبرگزاری برنا، کامپیوتر‌های کوانتومی با استفاده از گیت‌های کوانتومی کار می‌کنند، اما پیچیدگی بالا و تعداد زیاد این گیت‌ها می‌تواند کارایی آنها را کاهش دهد. اکنون، یک روش جدید با عنوان «طراحی ترکیبی» این پیچیدگی را با بهره‌گیری از تعاملات طبیعی سیستم‌ها کاهش داده و اجرای الگوریتم‌های کوانتومی را آسان‌تر کرده است.

این نوآوری به مدیریت مشکلات ذاتی «نویز» در سیستم‌های کوانتومی فعلی کمک کرده و کاربرد‌های عملی آنها را بهبود می‌بخشد. این روش با موفقیت در الگوریتم گروور آزمایش شده است؛ الگوریتمی که جستجوی کارآمد داده‌های بزرگ را بدون نیاز به اصلاحات گسترده خطا ممکن می‌سازد.

چالش‌های محاسبات کوانتومی

کامپیوتر‌های کوانتومی با استفاده از واحد‌های بنیادی به نام گیت‌های کوانتومی کار می‌کنند که مفهومی مشابه با گیت‌های منطقی در کامپیوتر‌های کلاسیک دارند. گیت‌های منطقی عملیات پایه‌ای داده مانند «و»، «یا» و «نه» را اجرا می‌کنند. برای اجرای یک الگوریتم روی کامپیوتر کوانتومی، باید به مجموعه‌ای از این گیت‌های کوانتومی تبدیل شود. اما این فرآیند به دلیل نیاز به تعداد زیادی عملیات گیت کوانتومی، پیچیدگی بالایی دارد و ممکن است مزایای محاسباتی سیستم‌های کوانتومی را کاهش دهد.

برای حل این چالش، پژوهشگران روشی نوآورانه با عنوان «طراحی ترکیبی» برای سخت‌افزار کوانتومی معرفی کرده‌اند. در این روش، بخش‌هایی از مدار کوانتومی با تکامل فیزیکی که از تعاملات طبیعی سیستم استفاده می‌کند، جایگزین می‌شوند. این رویکرد اجرای الگوریتم‌های کوانتومی را نسبت به روش‌های سنتی بسیار ساده‌تر و کارآمدتر می‌کند.

در حال حاضر، کامپیوتر‌های کوانتومی مقیاس متوسط به دلیل وجود «نویز» هنوز به طور عملی کارآمد نیستند. این نویز ناشی از تعامل کیوبیت‌ها، به‌عنوان اجزای بنیادی کامپیوتر‌های کوانتومی، با محیط خارجی است که باعث ایجاد خطا می‌شود. این خطا‌ها عملکرد دقیق کامپیوتر کوانتومی را محدود می‌کنند و روش‌های فعلی تصحیح خطا هنوز قابل‌اعتماد نیستند. طراحی سخت‌افزار ترکیبی می‌تواند اجرای الگوریتم‌های کوانتومی را با فناوری‌های موجود برای کاربرد‌های علمی عملی ممکن کند.

رویکرد ترکیبی در محاسبات کوانتومی

در این روش ترکیبی، پژوهشگران آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس الگوریتم گروور را به‌طور خاص پیاده‌سازی کردند. الگوریتم گروور یکی از معروف‌ترین الگوریتم‌های کوانتومی است که برای جستجوی غیرساختارمند در مجموعه داده‌های بزرگ استفاده می‌شود و منابع محاسباتی زیادی در سیستم‌های کلاسیک مصرف می‌کند.

الگوریتم گروور شامل یک عملیات کلیدی به نام «اوراکل» است. این عملیات معمولاً به تعداد زیادی گیت کوانتومی نیاز دارد. اما در این پژوهش، تیم تحقیقاتی پیشنهاد داد که اوراکل تنها با استفاده از یک اسپین که به‌طور طبیعی با کیوبیت‌های محاسباتی تعامل دارد، اجرا شود. در این روش، هیچ تعاملی مستقیم بین کیوبیت‌های محاسباتی لازم نیست. کل عملیات اوراکل فقط شامل اعمال پالس‌های میدان خارجی وابسته به زمان برای چرخش اسپین منفرد است.

مهم‌تر از همه، این رویکرد به‌صورت توپولوژیکی محافظت‌شده است؛ به این معنا که در برابر ناپایداری کنترل میدان‌ها و دیگر پارامتر‌های فیزیکی مقاوم است، حتی بدون نیاز به تصحیح خطا.

این تحقیق با حمایت مالی دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) از طریق برنامه اینترنت کوانتومی برای تسریع کشف‌های علمی و همچنین برنامه تحقیقات و توسعه هدایت‌شده در آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس انجام شده است.

این پیشرفت می‌تواند روشی جدید برای طراحی سخت‌افزار‌های کوانتومی ایجاد کند و گامی بزرگ به‌سوی محاسبات کوانتومی کارآمدتر و سریع‌تر باشد.

انتهای پیام/