مسیر ساخت یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند و در مقیاس بزرگ، مملو از چالشهای عظیم است. یکی از بزرگترین موانع، ناپایداری ذاتی بیتهای کوانتومی یا کیوبیتها است. این واحدهای بنیادین اطلاعات کوانتومی به طرز باورنکردنی حساس هستند و مستعد خطاهای خود به خودی میباشند که میتواند محاسبات پیچیده را مختل کند. برای مقابله با این مشکل، دانشمندان تکنیکهای تصحیح خطا را توسعه دادهاند که معمولاً به تعداد بسیار زیادی کیوبیت فیزیکی برای ایجاد یک «کیوبیت منطقی» پایدار نیاز دارند. این سربار (overhead) یک گلوگاه بزرگ بوده و رؤیای یک ماشین کوانتومی کارآمد را به یک کابوس مهندسی تبدیل کرده است.
با این حال، یک دستاورد پیشگامانه از آزمایشگاه کنترل کوانتومی در مؤسسه نانوی دانشگاه سیدنی قرار است این معادله را تغییر دهد. برای اولین بار در تاریخ، دانشمندان نوع جدیدی از گیت منطقی کوانتومی را به نمایش گذاشتهاند که به طور چشمگیری تعداد کیوبیتهای فیزیکی مورد نیاز برای عملیات را کاهش میدهد و نشاندهنده یک جهش بزرگ در بهرهوری سختافزاری است.
«سنگ روزتا»ی محاسبات کوانتومی
راز این موفقیت در یک کد تصحیح خطای پیچیده به نام کد گاتسمن-کیتایف-پرسکیل (GKP) نهفته است. این کد به دلیل توانایی منحصربهفرد خود در ترجمه نوسانات پیوسته و نرم یک سیستم کوانتومی به حالتهای گسسته و تمیز شبیه به دیجیتال، لقب «سنگ روزتا»ی محاسبات کوانتومی را به خود اختصاص داده است. این ترجمه، شناسایی و رفع خطاها را بسیار آسانتر میکند. اگرچه کدهای GKP از نظر تئوری به دلیل کارایی بالا امیدوارکننده بودند، اما پیادهسازی آنها به دلیل پیچیدگیشان بسیار دشوار بوده است.
تیم مستقر در سیدنی، به رهبری دکتر تینگری تان، این نظریه را به واقعیت فیزیکی تبدیل کرده است. همانطور که در تحقیق آنها که در مجله Nature Physics منتشر شده، به تفصیل آمده است، آنها از ارتعاشات طبیعی یک یون ایتربیوم به دام افتاده برای کدگذاری و دستکاری کیوبیتهای GKP استفاده کردند. دکتر تان توضیح داد: «آزمایشات ما اولین تحقق یک مجموعه گیت منطقی جهانی برای کیوبیتهای GKP را نشان داده است. ما این کار را با کنترل دقیق ارتعاشات طبیعی… یک یون به دام افتاده به گونهای انجام دادیم که بتوانیم کیوبیتهای GKP را به صورت جداگانه دستکاری کرده یا آنها را به صورت یک جفت درهمتنیده کنیم.»
نقطه عطفی در فناوری کوانتومی: درهمتنیدگی ارتعاشات
یک گیت منطقی، بلوک ساختمانی اساسی است که به کامپیوترها اجازه میدهد عملیات را انجام دهند. در این آزمایش، تیم به موفقیتی چشمگیر دست یافت. نویسنده اول و دانشجوی دکتری، واسیلی ماتسوس، توضیح داد: «به طور مؤثر، ما دو کیوبیت منطقی قابل تصحیح خطا را در یک یون به دام افتاده ذخیره کرده و درهمتنیدگی بین آنها را نشان دادیم.»
به زبان ساده، آنها دو «ارتعاش کوانتومی» متمایز از یک اتم را درهمتنیده کردند. یک اتم به دام افتاده در سه بعد ارتعاش میکند و حرکت در هر بعد میتواند به عنوان یک حالت کوانتومی در نظر گرفته شود. با درهمتنیده کردن دو مورد از این حالتها، آنها یک گیت منطقی قدرتمند را تنها با استفاده از یک اتم ایجاد کردند. این امر به طور چشمگیری سختافزار فیزیکی مورد نیاز برای ساخت ماشینهای کوانتومی قابل برنامهریزی را کاهش میدهد.
این دستاورد راه را برای یک رویکرد کارآمدتر از نظر سختافزاری برای مقیاسپذیری کامپیوترهای کوانتومی هموار میکند. دکتر تان نتیجهگیری کرد: «با نمایش گیتهای کوانتومی جهانی با استفاده از این کیوبیتها، ما بنیادی برای حرکت به سمت پردازش اطلاعات کوانتومی در مقیاس بزرگ به روشی بسیار کارآمد از نظر سختافزاری در اختیار داریم.» این تحقیق تنها یک بهبود تدریجی نیست؛ بلکه یک گام اساسی به سوی ساخت کامپیوترهای کوانتومی آینده است.
منبع: https://phys.org/news/2025-08-rosetta-stone-code-scientists-core.html