تصحیح خطای کوانتومی نمایی – زیر آستانه!
خطاها یکی از بزرگترین چالشها در محاسبات کوانتومی هستند، زیرا کیوبیتها، واحدهای محاسباتی در رایانههای کوانتومی، تمایل به تبادل سریع اطلاعات با محیط خود دارند و حفاظت از اطلاعات مورد نیاز برای تکمیل یک محاسبات را دشوار میکند. به طور معمول، هر چه کیوبیت های بیشتری استفاده کنید، خطاهای بیشتری رخ می دهد و سیستم کلاسیک می شود.
امروز در نیچر نتایجی را منتشر کردیم که نشان می دهد هر چه کیوبیت های بیشتری در Willow استفاده کنیم، بیشتر می شویم کاهش دهد خطاها، و سیستم کوانتومی تر می شود. ما آرایههای بزرگتری از کیوبیتهای فیزیکی را آزمایش کردیم، از شبکهای از کیوبیتهای رمزگذاریشده 3×3، به شبکهای 5×5، به شبکهای از 7×7 — و هر بار با استفاده از آخرین پیشرفتهایمان در تصحیح خطای کوانتومی، توانستیم. تا میزان خطا به نصف کاهش یابد. به عبارت دیگر، به کاهش تصاعدی در میزان خطا دست یافتیم. این دستاورد تاریخی در این زمینه به عنوان “زیر آستانه” شناخته می شود که می تواند خطاها را در حین افزایش تعداد کیوبیت ها کاهش دهد. برای نشان دادن پیشرفت واقعی در تصحیح خطا، باید نشان دهید که زیر آستانه هستید، و از زمانی که تصحیح خطای کوانتومی توسط پیتر شور در سال 1995 معرفی شد، این یک چالش برجسته بوده است.
«اولینها» علمی دیگری نیز در این نتیجه دخیل هستند. به عنوان مثال، این یکی از اولین نمونه های متقاعد کننده از تصحیح خطای بلادرنگ در یک سیستم کوانتومی ابررسانا است – برای هر محاسبات مفیدی بسیار مهم است، زیرا اگر نتوانید خطاها را با سرعت کافی تصحیح کنید، محاسبات شما را خراب می کنند. قبل از اینکه انجام شود و این یک نمایش «فراتر از سربه سر» است، که در آن آرایههای کیوبیتهای ما طول عمر بیشتری نسبت به کیوبیتهای فیزیکی دارند، نشانهای غیرقابل جعل مبنی بر اینکه تصحیح خطا به طور کلی سیستم را بهبود میبخشد.
به عنوان اولین سیستم زیر آستانه، این متقاعد کننده ترین نمونه اولیه برای یک کیوبیت منطقی مقیاس پذیر است که تا به امروز ساخته شده است. این یک نشانه قوی است که نشان می دهد کامپیوترهای کوانتومی مفید و بسیار بزرگ واقعاً می توانند ساخته شوند. Willow ما را به اجرای الگوریتمهای کاربردی و تجاری مرتبط نزدیکتر میکند که نمیتوان آنها را در رایانههای معمولی تکرار کرد.
10 سپتیلیون سال در یکی از سریعترین ابررایانه های امروزی
به عنوان معیاری برای عملکرد Willow، ما از معیار نمونه برداری تصادفی مدار (RCS) استفاده کردیم. RCS که توسط تیم ما پیشگام بود و اکنون به طور گسترده به عنوان یک استاندارد در این زمینه استفاده می شود، سخت ترین معیار کلاسیکی است که امروزه می توان روی یک کامپیوتر کوانتومی انجام داد. شما می توانید این را به عنوان یک نقطه ورودی برای محاسبات کوانتومی در نظر بگیرید – بررسی می کند که آیا یک کامپیوتر کوانتومی کاری را انجام می دهد که نمی تواند در یک کامپیوتر کلاسیک انجام شود یا خیر. هر تیمی که یک کامپیوتر کوانتومی بسازد باید ابتدا بررسی کند که آیا میتواند کامپیوترهای کلاسیک را در RCS شکست دهد یا خیر. در غیر این صورت دلیل محکمی برای شک وجود دارد که می تواند وظایف کوانتومی پیچیده تری را انجام دهد. ما به طور مداوم از این معیار برای ارزیابی پیشرفت از یک نسل تراشه به نسل بعدی استفاده کرده ایم – نتایج Sycamore را در اکتبر 2019 و دوباره اخیراً در اکتبر 2024 گزارش کردیم.
عملکرد Willow در این معیار شگفتانگیز است: محاسباتی را در کمتر از پنج دقیقه انجام داد که یکی از سریعترین ابررایانههای امروزی را 10 میبرد.25 یا 10 سپتیلیون سال اگر می خواهید آن را بنویسید، 10,000,000,000,000,000,000,000,000 سال است. این عدد حیرتانگیز از مقیاسهای زمانی شناختهشده در فیزیک فراتر میرود و بسیار از سن جهان فراتر میرود. این به این مفهوم اعتبار می دهد که محاسبات کوانتومی در بسیاری از جهان های موازی اتفاق می افتد، مطابق با این ایده که ما در یک جهان چندگانه زندگی می کنیم، پیش بینی ای که برای اولین بار توسط دیوید دویچ انجام شد.
این آخرین نتایج برای Willow، همانطور که در طرح زیر نشان داده شده است، بهترین نتایج ما تاکنون بوده است، اما ما به پیشرفت خود ادامه خواهیم داد.