گروهی از پژوهشگران در دانشگاه سیدنی موفق به ساخت یک دروازه منطقی کوانتومی شده‌اند که با منفعت گیری از کد تصحیح خطای قوی GKP تعداد کیوبیت‌های مورد نیاز را به‌طور چشمگیری افت می‌دهد. این دستاورد با درهم‌تنیدگی ارتعاشات کوانتومی درون یک اتم محقق شده و می‌تواند مسیر مقیاس‌پذیری رایانش کوانتومی را منقلب کند.

به گزارش science daily، یکی از چالش‌های اساسی در گسترش رایانه‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس ابراز اشتباه‌های ناخواسته در کیوبیت‌ها است. برای دستیابی به خروجی‌های پایدار و قابل مطمعن دانشمندان ناگزیرند کیوبیت‌ها را با راه حلهای پیچیده رمزگذاری و تصحیح اشتباه ایمن‌سازی کنند. اما افزایش تعداد کیوبیت‌های منطقی مدام نیازمند رشد انفجاری در تعداد کیوبیت‌های فیزیکی است که این کار به یک کابوس مهندسی برای ساخت ماشین‌های کوانتومی بدل شده است.

اکنون برای نخستین‌بار پژوهشگران آزمایشگاه کنترل کوانتومی در موسسه نانو دانشگاه سیدنی موفق به نمایش نوعی دروازه منطقی کوانتومی شده‌اند که نیاز به تعداد بسیاری کیوبیت فیزیکی را مرتفع می‌سازد. آنان این کار را با ساخت یک دروازه درهم‌تنیدگی بر پایه یک اتم منفرد و به پشتیبانی کد تصحیح خطای گاتسمن–کیتایف–پرسکیل (GKP) انجام داده‌اند؛ کدی که به سنگ روزتای محاسبات کوانتومی شهرت یافته است. این کد ارتعاشات مدام کوانتومی را به حالت‌های دیجیتالی مجزا ترجمه می‌کند و به این ترتیب شناسایی و از بین بردن اشتباه‌ها را ساده‌تر کرده و راهی فشرده و کارآمد برای رمزگذاری کیوبیت‌های منطقی فراهم می‌سازد.

این پژوهش که ۲۱ اوت در نشریه Nature Physics انتشار شد، مشخص می کند چطور ارتعاشات طبیعی یک یون محبوس یتربیوم می‌تواند برای ذخیره و پردازش کد‌های GKP مورد منفعت گیری قرار گیرد. 

به حرف های تینگ‌ری تان، پژوهشگر ارشد و همکار Sydney Horizon Fellow تیم او توانسته است برای نخستین‌بار مجموعه‌ای جهانی از دروازه‌های منطقی برای کیوبیت‌های GKP را محقق سازد. 

او اصرار کرد: ما با کنترل دقیق ارتعاشات هارمونیک یک یون محبوس توانستیم کیوبیت‌های GKP را به‌طور منفرد دستکاری کرده یا آنها را به طور جفت درهم‌تنیده کنیم.

یکی از قسمت‌های کلیدی این پژوهش منفعت گیری از نرم‌افزار‌های کنترل کوانتومی گسترش‌یافته توسط شرکت Q-CTRL (استارت‌آپی منشعب از همین آزمایشگاه) می بود که امکان طراحی دروازه‌های کوانتومی با کمترین اعوجاج را فراهم ساخت. این کار به تیم پژوهشی اجازه داد تا ساختار حساس کیوبیت‌های GKP را در جریان پردازش اطلاعات کوانتومی نگه داری کنند.

واسیلی ماتسوس، نویسنده اول مقاله و دانشجوی دکتری فیزیک گفت: ما عملاً توانستیم دو کیوبیت منطقی تصحیح‌پذیر اشتباه را در یک یون منفرد ذخیره کرده و بین آنها درهم‌تنیدگی تشکیل کنیم.

 به گفتن ساده او دو حالت ارتعاشی کوانتومی یک اتم را به گفتن کیوبیت درهم‌تنیده کرده و تنها با منفعت گیری از یک اتم، یک دروازه منطقی کوانتومی ساخت؛ کاری که یک نقطه عطف در فناوری کوانتومی محسوب می‌شود.

این دستاورد مشخص می کند که می‌توان با سخت‌افزار به‌مراتب کمتر دروازه‌های منطقی کوانتومی را پیاده‌سازی کرد و این کار گامی اساسی در جهت گسترش رایانه‌های کوانتومی قابل برنامه‌ریزی و مقیاس‌پذیر به حساب می اید.

پژوهشگران در سه آزمایش جداگانه از یک یون منفرد یتربیوم درون تله پال منفعت گیری کردند. این سیستم با منفعت‌گیری از آرایه‌ای پیچیده از لیزر‌ها در دمای اتاق اتم را در جای خود نگه می‌دارد و ارتعاشات طبیعی آن را به‌طوری کنترل می‌کند که کد‌های GKP پیچیده قابل پیاده‌سازی شوند.