هادی حیدری، دستیار مدیرعامل بانک صادرات ایران در استراتژی و تحول / یک تفاوت ماهوی و ساختاری بین بیت کلاسیک که حاوی مجموعه اطلاعات به شکل کلاسیک در کامپیوترهای امروزی با کیوبیت کوانتومی برای ذخیره اطلاعات کوانتومی است و آن این است که اطلاعات کلاسیک و بیت ها پایدار اما اطلاعات کوانتومی و کیوبیت ها بسیار ناپایدار و شکننده هستند. این چالش اساسی است که قبل از تجاری سازی کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس محاسباتی بزرگ برای حل مسائل باید بر آن غلبه کنیم. آخرین مطالعات در این خصوص نشان می دهد این مهم، کلیدی‌ترین چالش رایانش کوانتومی حال حاضر تمامی شرکت های بزرگ پیشرو در این خصوص مانند IBM، گوگل، IONQ، کوانتینیوم است که با آن دست و پنجه نرم می کنند؛ به عبارت دیگر یک کنایه ویژه ای در حوزه محاسبات کوانتومی وجود دارد که شما می توانید حتی با نگاه کردن به یک مجموعه اطلاعات کوانتومی آنها را نابود کنید.
ساختار نویزها(خطاهای کوانتومی) برخلاف خطای کلاسیک است که ممکن است جای صفر و یک در یک بیت با همدیگر عوض شود. در یک کیوبیت سه نوع کلی خطا شامل خطای بیت(X)، خطای فاز (Z) و ترکیب آن دو خطا (Y) وجود دارد. از آنجا که در محاسبات کوانتوم یک اصل بسیار مهم به عنوان تئوری عدم تکرار (No-Cloning Theorem) داریم، بنابراین نمی توانیم یک کیوبیت را چند بار کپی کنیم چونکه ممکن است آن کیوبیت در حالت برهم نهی باشد.
بخوانید: الگوریتم‌های کوانتومی؛ رمزنگاری متقارن یا نامتقارن مسئله این است!
به همین دلیل برای عملیات بدون خطا و صحیح در کامپیوترهای کوانتومی، کیوبیت ها و اطلاعات کوانتومی باید در یک محیط فیزیکی با دمای بسیار پایین ایزوله شوند، اما به صورت همزمان کامپیوترهای کوانتومی باید کنترل‌های دقیقی را روی اطلاعات کوانتومی شامل مقداردهی اولیه، عملیات یکانی(Unitary Operation) قابل اعتماد و دقیق برای اطمینان از عملیات گیت‌ها و توانایی اندازه‌گیری کیوبیتها در حالت نهایی داشته باشند.
در حال حاضر تحقیقات نشان می‌دهد که ساختن کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ با گذر زمان امکان‌پذیر است و ابزارهای کلیدی که برای رسیدن به این موضوع به ما کمک می‌کنند، مدل‌های تصحیح خطای کوانتومی هستند. مهمترین مدل‌های تصحیح خطای کوانتومی عبارتند از: کدهای تکرار(Repetition Codes)، کد شور 9 کیوبیتی و گسسته‌سازی خطاها. علاوه بر آن کدهای تصحیح خطای گسترده‌تر کوانتومی مانند Stabilizer Formalism وجود دارد که از عملگرهای متفاوتی برای کیوبیتها استفاده می‌کنند. همچنین سایر کدهای تصحیح خطای کوانتومی معروف و پیشرفته‌تر دیگر عبارتند از: کالدربنک-شور- استین (CSS) و توریک کد و کدهای سطحی.
اگرچه تنوع و تعدد کدهای تصحیح خطای کوانتومی زیاد است، اما نکته بسیار مهمی که در حال حاضر وجود دارد این است که نه فقط اطلاعات کوانتومی شکننده هستند و مستعد داشتن نویز هستند، بلکه سایر اجزای کوانتومی نیز مانند کوانتوم گیت‌ها، سنجه‌ها و حالات اولیه کیوبیتها نیز برخی مواقع ناقص هستند. بنابراین در این شرایط اگرچه ابزارهای اصلی اصلاح خطای کوانتومی همان اجزاء نامبرده شده کوانتومی هستند، اما خود همین اجزا ممکن است خطای جدیدی را ایجاد نمایند.
بخوانید: فردا دیر است همین امروز باید اقدام کنیم: اهمال‌کاری کوانتومی
اینجا همانجایی است که می توانیم مرز میان یک کد تصحیح خطای ساده با ساختار مقاوم در برابر خطا (Fault- Tolerant quantum computing) مشخص می‌شود. به بیان دیگر برای ایجاد یک محاسبه کوانتومی مقاوم در برابر خطا محاسبات واقعی روی کیوبیت‌های منطقی باید انجام شود، به‌گونه‌ای باید روی کیوبیت‌های منطقی اعمال شوند که این کیوبیتها بدون حفاظت همچنان کد تصحیح خطای کوانتومی باشند.
در این راستا باید تاکید کنیم که یک کیوبیت فیزیکی، همان کیوبیت واقعی و سخت‌افزاری است که در واحدهای پردازشگر کوانتومی همان QPU ها وجود دارد. یک کیوبیت فیزیکی عمدتاً تحت تاثیر نویز قرار می‌گیرد و ناقص هستند، به عبارت دیگر بسیار شکننده بوده و نمی‌توانند اطلاعات را برای مدت طولانی قابل اعتماد نگه دارند. اما در عوض یک کیوبیت منطقی(Logical qubit) یک کیوبیت ایده‌آل و محافظت‌شده ای است که از ترکیب چند کیوبیت فیزیکی با استفاده از کدهای تصحیح خطای کوانتومی مثل کدهای سطحی و کد نه کیوبیتی شور و سایر کدهای مشابه ساخته می‌شوند. نکته مهم‌تر اینکه اطلاعات یک کیوبیت منطقی به‌گونه‌ای روی چند کیوبیت فیزیکی توزیع می‌شود که اگر تعداد محدودی از کیوبیت‌های فیزیکی خطا کنند بتوان خطا را تشخیص و تصحیح کرد، به عبارت دیگر هدف یک کیوبیت منطقی این است که محاسبات کوانتومی بدون خطا انجام شود.
آخرین رکوردهای تجاری و دستاوردهای واقعی
آخرین رکورد شکنی‌های تجاری در حوزه کدهای تصحیح خطا در سال اخیر را با پیشرفت های اخیر دو شرکت بزرگ IBM و کوانتینیوم می‌توان مقایسه کرد؛ این دو شرکت دارای دو ساختار متفاوت در خصوص ساختن یک کیوبیت هستند. شرکت کوانتینیوم با پردازنده های هیلیوس خود موفق شده است که بر روی این کامپیوتر کوانتومی ۹۸ کیوبیتی فیزیکی، نرخ خطای حافظه کوانتومی را برای کیوبیت ها را به حدود ۹۹.۹۹۹۵٪ پایداری برساند؛ موفقیتی بسیار بزرگ برای کامپیوتر کوانتومی به نام آپلو که قرار است در سال ۲۰۲۹ ارائه گردد. این در حالی است که شرکت IBM با روش ابررسانا برای ساخت کیوبیت ها و در دو پردازنده ۱۲۰ کیوبیتی نایتهاوک و با ایجاد یخچال‌های کرایوژنیک و اتصال موفق و ماژولار این یخچالها بدنبال حل مشکل مقیاس‌پذیری فیزیکی سیستم‌های بزرگ و عرضه مقیاس پذیری در پروژه استارلیگ است.
چند نکته کلیدی و جمع‌بندی
الگوریتم‌های تصحیح خطای کوانتومی به منظور افزایش اعتماد به رایانش کوانتومی در سال‌های اخیر توسعه بسیار زیادی یافته است. توسعه کدهای اصلاح کوانتومی به این صورت است که در حال حاضر یک عبارتی مصطلح در خصوص تنوع کدهای تصحیح خطای کوانتومی و محاسبات کوانتومی وجود دارد که از آن به عنوان «باغ‌وحش کدهای تصحیح خطای کوانتومی» یاد می‌شود زیرا تنوع و تعدد این کدها بسیار زیاد و به بیش از ۱۱۵۰ کد تصحیح خطا رسیده است. در این راستا یک تئوری کلیدی برای اعتماد به محاسبات کوانتومی وجود دارد که معروف به نام «تئوری ارزش آستانه» است. بر اساس این تئوری محاسبات کوانتومی تا هنگامی که تعداد به هر دلیلی از سطح معینی پایین‌تر باشند، قابل اعتماد هستند. تئوری ارزش آستانه نویز در نهایت ارائه چارچوب پایه‌ای برای دستیابی به کامپیوترهای مقاوم در برابر خطا هستند و نویزها شامل تمامی نویزها در گیت‌های کوانتومی و مدارها نیز می‌شوند. اگر نرخ خطای فیزیکی زیر یک آستانه مشخص باشد، با افزایش فاصله کد (code distance) و تعداد کیوبیت‌های فیزیکی، نرخ خطای منطقی در کیوبیت ها به‌صورت نمایی کاهش می‌یابد.
عملاً در کامپیوترهای کوانتومی برای برقراری اصل مقاوم در برابر نویز در اجزاء آنها از اصول کلیدی کنترل‌هایی برای جلوگیری از انتشار نویزها توسط سایر اجزاء سخت‌افزاری کامپیوترهای کوانتومی استفاده می‌شود، تئوری ارزش آستانه یکی از مهمترین نتایج نظری در رایانش کوانتومی مقاوم در برابر خطا است. براساس تئوری آستانه اگر نرخ خطا کمتر از یک آستانه مشخص باشد با افزایش تعداد کیوبیت‌های فیزیکی و لایه‌های تصحیح خطا می‌توان مدارهای کوانتومی بزرگتری با خطای منطقی بسیار کم ساخت و این همان مسیر زایش یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر بالا از نظر عملی است.
