توسط دانشگاه مککواری
یک تیم از دانشمندان استرالیایی و بینالمللی برای اولین بار تصویری جامع از چگونگی گسترش خطاها در طول زمان داخل یک کامپیوتر کوانتومی ارائه داد—تحولی که میتواند به ساخت ماشینهای کوانتومی آینده با قابلیت اطمینان بیشتر کمک کند.
پژوهشگران به رهبری دکتر کریستینا جیاراتزی از دانشگاه مککواری دریافتند که خطاهای ریز که کامپیوترهای کوانتومی را اذیت میکنند، بهصورت تصادفی ظاهر نمیشوند. در عوض، این خطاها میتوانند بقا داشته، تکامل یابند و حتی در بازههای زمانی مختلف بههم پیوند بخورند.
تیم دادهها و کدهای آزمایشی خود را بهصورت آزاد در دسترس قرار داده و مطالعه کامل در نشریه Quantum منتشر شده است.
“ما میتوانیم تصور کنیم که کامپیوترهای کوانتومی حافظهای از خطاها را نگه میدارند، که میتوانند کلاسیک یا کوانتومی باشند بسته به اینکه این خطاها چگونه بهیکدیگر مرتبط هستند،” دکتر جیاراتزی گفت.
“بسیاری از پروتکلهای کوانتومی فرض میکنند که کامپیوترهای کوانتومی چنین حافظهای ندارند (که بهعنوان مارکوفی شناخته میشود) اما این بهسادگی درست نیست.”
این نوع رفتار یکی از موانع کلیدی ساخت کامپیوترهای کوانتومی عملی و در مقیاس بزرگ است.
چگونه این دستاورد بهدست آمد
“ما توانستیم تمام تحول یک فرایند کوانتومی را در نقاط مختلف زمانی بازسازی کنیم—چیزی که پیش از این انجام نشده بود،” دکتر جیاراتزی گفت. “این به ما امکان میدهد نه تنها زمان رخداد نویز را ببینیم، بلکه نحوهٔ انتقال آن در طول زمان را نیز درک کنیم.”
این پیشرفت در را به روی روشهای پیشرفتهتر مدلسازی، پیشبینی و اصلاح خطاها در دستگاههای کوانتومی گشوده است؛ نه تنها در تراشههای ابررسانا، بلکه در سیستمهایی مانند یونهای حبسشده و کیوبیتهای اسپین نیز.
“ما یک پنجرهٔ جدید به نحوهٔ رفتار سیستمهای کوانتومی در طول زمان، زمانی که خطاهایشان همبستگی دارد، باز کردهایم،” دکتر جیاراتزی گفت. “این برای ما حیاتی است اگر میخواهیم کامپیوترهای کوانتومی واقعاً کاربردی و بدون خطا شوند.”
برای دستیابی به این هدف، تیم مجموعهای از آزمایشها را بر روی پردازندههای پیشرفتهٔ کوانتومی ابررسانا انجام داد—برخی در آزمایشگاه دانشگاه کوئینزلند و برخی دیگر از طریق کامپیوترهای کوانتومی ابری IBM دسترسی یافتند.
تلاشهای پیشین برای تصویربرداری از رفتار سیستمهای کوانتومی در طول زمان همگی به همان مانع برخوردند: پس از اندازهگیری یک سیستم کوانتومی در میانهٔ آزمایش، دانشمندان نمیتوانستند آزادانه آن را برای گام بعدی تنظیم کنند، زیرا تنظیم مجدد به این بستگی دارد که نتیجهٔ اندازهگیری ۰ یا ۱ بوده است.
روش جدید این مسئله را با افزودن یک ایدهٔ هوشمندانه حل میکند؛ فرض میشود که در ۵۰٪ موارد نتیجه ۱ بوده و در ۵۰٪ دیگر نتیجه ۰. سپس پژوهشگران با استفاده از نرمافزار بهصورت معکوس با دادهها کار کردند تا وضعیت سیستم را تعیین کنند.
“سختافزار میتوانست این کار را انجام دهد،” دکتر فابیو کوستا، نویسندهٔ مشترک از نوردیٹا در استکهلم، گفت. “چیزی که ما متوجه شدیم این بود که چگونه پس از یک اندازهگیری میانی مدار، سیستم را بهطور واقعی آماده کنیم.”
دلالات برای محاسبات کوانتومی آینده
آنچه آنها کشف کردند این است که حتی پیشرفتهترین ماشینهای کوانتومی امروز، الگوهای نویزی ظریف اما مهمی که به زمان مرتبط هستند، نشان میدهند—از جمله نویزی که ذاتاً کوانتومی است و از کیوبیتهای نزدیک بر روی همان تراشه ناشی میشود.
درک این الگوها به دانشمندان کوانتومی کمک میکند ابزارهای بهتر برای توصیف و تصحیح خطاها طراحی کنند، گامی اساسی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی قابلاعتماد و مقاوم در برابر خطا.
“سخن دلگرمی است که مدلهای نظری میتوانند بر روی سختافزار واقعی بهکار گرفته شوند، و بهویژه زمانی که میتوانند به توسعهٔ خود سختافزار کمک کنند،” تایلر جونز، دانشجوی دکترا در دانشگاه کوئینزلند، گفت. “توصیف پایدار همبستگیهای زمانی در سیستمهای کوانتومی برای مسیر ساخت ماشینهای قدرتمند کوانتومی ضروری است.”
اطلاعات بیشتر: توموگرافی چندزمانی فرایند کوانتومی روی یک کیوبیت ابررسانا، Quantum (2025). DOI: 10.22331/q-2025-12-02-1582