آمازون تراشه محاسبات کوانتومی اولیهٔ خودِ Ocelot را معرفی کرد
آمازون وب‌سرویسز (AWS) تراشه کوانتومی نسل اول به نام Ocelot را رونمایی کرد که گامی مهم در مسیر ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر محسوب می‌شود. Ocelot از کیوبیت‌های گربه‌ای (cat qubits) بهره می‌برد که خطاهای خاصی را خاموش می‌کنند و تعداد کیوبیت‌های فیزیکی مورد نیاز برای اصلاح خطا را تا ۹۰ درصد کاهش می‌دهند. تمرکز اصلی این تراشه بر تصحیح خطای کوانتومی است که یکی از بزرگترین موانع پیش رو در رایانه‌های کوانتومی محسوب می‌شود. با جایگذاری کیوبیت‌های مقاوم در برابر خطا مستقیماً در سخت‌افزار، Ocelot رویکردی کارآمدتر از نظر مصرف منابع در مقایسه با راه‌حل‌های مرسوم ارائه می‌دهد. معماری تراشه شامل کیوبیت‌های داده، مدارهای بافر و کیوبیت‌های تصحیح خطا است. اگرچه در حال حاضر یک نمونه اولیه است، AWS معتقد است که Ocelot می‌تواند هزینه‌های اصلاح خطا را تا ۹۰ درصد کاهش داده و زمان‌بندی برای دستیابی به کامپیوتر کوانتومی کاربردی را تا پنج سال تسریع کند.
شرح دستاورد
چیپ Ocelot با استفاده از مدارهای کوانتومی ابررسانا، پیاده‌سازی نوآورانه‌ای از تصحیح خطای کوانتومی را به کار می‌گیرد که هم از نظر کارایی منابع و هم از نظر مقیاس‌پذیری برتری دارد. این تراشه دستاوردهای کلیدی در زمینه بهبود تصحیح خطای کوانتومی را به دست آورده که می‌تواند شکاف بین حالت فعلی و کامپیوترهای کوانتومی عملی را پر کند.
🔗 بیشتر بخوانید: تکنولوژی چینی ها برای ترجمه لحظه ای افکار_آینده
یکی از دستاوردهای مهم Ocelot، معماری مقیاس‌پذیر آن برای تصحیح خطای بوزونیک است. این رویکرد بر راه‌حل‌های سنتی کیوبیت برای کاهش هزینه اصلاح خطا پیشی می‌گیرد و حجم منابع مورد نیاز را کاهش می‌دهد. این چیپ برای اولین بار یک گیت بایاس‌شده نویزی (noise-biased gate) را معرفی می‌کند که جزو اجزای ضروری برای تشکیل تصحیح خطای کارآمد است و امکان ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر و تجاری را فراهم می‌کند. علاوه بر این، Ocelot کارایی کیوبیت‌های ابررسانا را ارتقا داده، با زمان‌های فلیپ بیت نزدیک به یک ثانیه و زمان‌های فلیپ فاز در حدود ۲۰ میکروثانیه که مرزهای موجود در کیوبیت‌های ابررسانا را به چالش می‌کشد.
چالش پر کردن شکاف کارایی کوانتومی
هدف Ocelot برطرف کردن یکی از چالش‌های اساسی در دنیای کامپیوترهای کوانتومی است: پر کردن شکاف کارایی کوانتومی. اگرچه کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل انجام محاسبات سریع‌تر و حتی به صورت نمایی سریع‌تر از سیستم‌های کلاسیک را دارند، حساسیت بالا به نویز تعداد گیت‌های کوانتومی که می‌توانند به طور مطمئن اجرا شوند را محدود می‌کند. تصحیح خطای کوانتومي که اولین بار در دهه ۱۹۹۰ پیشنهاد شد، راه‌حلی برای این مسئله ارائه می‌دهد. این روش با توزیع اطلاعات بین چندین کیوبیت فیزیکی، امکان تشخیص و اصلاح خطا را فراهم می‌آورد. با این حال، این تکنیک معمولاً نیاز به تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی برای هر کیوبیت منطقی دارد که باعث می‌شود تصحیح خطای کوانتومی به منابع بسیار زیادی نیازمند باشد.
🔗 بیشتر بخوانید: اوتیسم و صرع مسیر مغزی مشترکی دارند_آینده
راه‌حل‌های سنتی تصحیح خطای کوانتومی مانند کد سطحی، به هزاران کیوبیت فیزیکی برای هر کیوبیت منطقی نیاز دارند که آن‌ها را برای ساخت سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر تجاری غیرعملی می‌سازد. یکی از چالش‌های مهم این است که سیستم‌های کوانتومی هم از خطاهای فلیپ بیت و هم از خطاهای فلیپ فاز رنج می‌کشند. اصلاح این خطاها نیاز به لایه‌های افزونگی اضافی دارد که منابع مورد نیاز تصحیح خطا را افزایش می‌دهد.
رویکرد نوآورانه مبتنی بر کیوبیت‌های گربه‌ای
Ocelot از رویکردی نوآورانه مبتنی بر کیوبیت‌های گربه‌ای بهره می‌گیرد که نوعی کیوبیت بوزونیک هستند. برخلاف کیوبیت‌های سنتی که در دو حالت قرار دارند، کیوبیت‌های گربه‌ای از برهم‌نهی کوانتومی با دامنه و فاز آشکار برای کدگذاری اطلاعات استفاده می‌کنند، مشابه نوسانگرهای هارمونیکی که در سیستم‌های کلاسیکی مانند فرکانس‌های رادیویی کاربرد دارند. این کیوبیت‌ها از انرژی چندین بوزون (مانند فوتون‌ها) برای نمایش حالات کوانتومی استفاده می‌کنند که آن‌ها را در برابر خطاهای فلیپ بیت مقاوم‌تر می‌سازد. با افزایش تعداد فوتون‌ها در سیستم، خطاهای فلیپ بیت به صورت نمایی کاهش می‌یابند، که نیاز به تعداد زیاد کیوبیت را کاهش می‌دهد.
🔗 بیشتر بخوانید: مصرف روزانه آسپرین خطر ابتلا به دیابت را در افراد مسن کاهش می‌دهد
طراحی Ocelot این کیوبیت‌های گربه‌ای را در یک معماری مقیاس‌پذیر ترکیب می‌کند. در این طراحی از یک کد تکرار (repetition code) برای اصلاح خطای فلیپ فاز استفاده می‌شود، همراه با گیت‌های C-NOT بایاس‌شده نویزی که تشخیص و تصحیح خطاهای فلیپ فاز را پشتیبانی می‌کنند و در عین حال محافظت در برابر فلیپ بیت را حفظ می‌کنند. کیوبیت منطقی در Ocelot از پنج کیوبیت داده گربه‌ای تشکیل شده که هرکدام از یک نوسانگر برای ذخیره اطلاعات کوانتومی بهره می‌برند و با کیوبیت‌های کمکی ترانسمون برای تشخیص خطای فلیپ فاز و مدارهای بافر برای پایدارسازی حالات کیوبیت‌های گربه‌ای جفت می‌شوند. مدارهای بافر نقش حیاتی در کاهش نمایی خطاهای فلیپ بیت ایفا می‌کنند، در حالی که «کد تکرار» امکان تشخیص و اصلاح خطاهای فلیپ فاز را فراهم می‌کند.
نتایج آزمایشی و چشم‌اندها
نتایج آزمایش نشان می‌دهند که رویکرد تصحیح خطای Ocelot کارایی کیوبیت منطقی را به طور چشمگیری بهبود بخشیده است. هنگامی که فاصله کد تکرار از ۳ به ۵ افزایش یافت، نرخ خطای فلیپ فاز منطقی به طور قابل توجهی کاهش یافت. در کد فاصله-۵، نرخ کلی خطای منطقی به ۱.۶۵ درصد در هر چرخه رسید که کمتر از نرخ خطای کد فاصله-۳ بود، حتی با نیاز به تعداد کمتری کیوبیت. این کارایی که از طریق گیت C-NOT بایاس‌شده نویزی و یک چرخه تصحیح خطای به دقت بهینه‌شده حاصل می‌شود، نشان می‌دهد که Ocelot می‌تواند از تعداد کیوبیت‌های فیزیکی کمتری نسبت به راه‌حل‌های سنتی بهره ببرد و در عین حال سطح بالایی از تصحیح خطا را حفظ کند.
استراتژی AWS در اولویت‌گذاری کاهش نرخ خطا پیش از افزایش تعداد کیوبیت‌ها، با تلاش‌های دیگر در حوزه کامپیوترهای کوانتومی که بر افزایش تعداد کیوبیت‌ها بدون تصحیح خطا تمرکز دارند، متفاوت است. این استراتژی حیاتی است زیرا افزودن کیوبیت‌های بیشتر بدون اصلاح خطا نمی‌تواند قدرت محاسباتی بیشتری ایجاد کند و احتمال بروز خطاهای محاسباتی بیشتری را به همراه دارد.
اگرچه Ocelot در حال حاضر در مرحله نمونه اولیه است، آزمایش موفق آن در حوزه تصحیح خطا، گام امیدوارکننده‌ای به سمت کامپیوترهای کوانتومی عملی است. AWS قصد دارد این فناوری را در سال‌های آینده بهبود بخشد و مقیاس آن را گسترش دهد تا در نهایت سیستم‌های کوانتومی بسازد که قادر به حل مسائلی باشند که هم‌اکنون از دسترس کامپیوترهای کلاسیک خارج هستند. با تحقیق و توسعه مداوم، معماری Ocelot می‌تواند نیاز به منابع برای کامپیوترهای کوانتومی را به طور قابل توجهی کاهش دهد و مسیر را برای کامپیوترهای کوانتومی تجاری هموارتر کند.