محاسبات کوانتومی نویدبخش قدرتی محاسباتی فراتر از تصور است، اما همواره با یک دشمن سرسخت روبرو بوده است: ناهمدوسی (decoherence). حالتهای کوانتومی ظریف کیوبیتها، که آجرهای سازنده این ماشینهای قدرتمند هستند، با کوچکترین نویز محیطی دچار اختلال شده و اطلاعات خود را از دست میدهند. با این حال، یک رویکرد نوآورانه و جدید به نام محاسبات محافظتشده با مسیر حرکت (trajectory-protected computing) راهحلی هوشمندانه ارائه میدهد.
این روش که توسط تیمی از پژوهشگران موسساتی چون دانشگاه زاگرب، موسسه فیزیک نظری پریمیتر و موسسه سلطنتی فناوری KTH توسعه یافته است، صرفاً به جداسازی کیوبیتها اکتفا نمیکند، بلکه محیط اطراف آنها را به طور فعال مدیریت میکند. ایده اصلی این است که حرکت یا مسیر یک کیوبیت به گونهای کنترل شود که آن را در برابر مخربترین نیروهای محیطی عملاً نامرئی سازد. این مسیرهای با دقت طراحیشده که به «مسیرهای شفاف» معروفند، برهمکنشهای تشدیدی قوی را که عامل اصلی ناهمدوسی سریع هستند، سرکوب میکنند.
آنچه این تکنیک را به طور ویژه قدرتمند میسازد، عملکرد دوگانه آن است. این روش ضمن محافظت از کیوبیت، به طور همزمان از برهمکنشهای ضعیفتر و غیرتشدیدی برای اجرای گیتهای کوانتومی لازم برای محاسبات بهره میبرد. این پژوهش نشان میدهد که میتوان گیتهای تککیوبیتی و دوکیوبیتی را اجرا کرد که مجموعهای جامع برای اجرای هر الگوریتم کوانتومی را تشکیل میدهند. این دستاورد با مدلسازی کیوبیت به عنوان یک آشکارساز آنرو-دویت (Unruh-DeWitt) و استفاده از تکنیکی به نام «شفافیت ناشی از شتاب» برای حذف کانالهای غالب ناهمدوسی محقق شده است.
این نوآوری همچنین یکی از محدودیتهای بنیادین در محاسبات کوانتومی را روشن میسازد. محققان یک رابطه بدهبستان مستقیم میان سطح محافظت یک کیوبیت و سرعت اجرای گیتهای درهمتنیدگی را به صورت کمی مشخص کردند. این یافته یک مکانیزم فیزیکی و قابل کنترل برای بدهبستانی ارائه میدهد که در قضیه مشهور ایستین-نیل (Eastin-Knill theorem) توصیف شده است؛ قضیهای که بیان میکند داشتن همزمان تصحیح خطای کامل و گیتهای جامع و سریع غیرممکن است. به عبارت دیگر، محافظت مؤثرتر از یک کیوبیت، ذاتاً سرعت محاسبات را کاهش میدهد.
این تیم با استخراج معادلاتی برای مقایسه زمان اجرای گیت با زمان ناهمدوسی، یک شرط امکانسنجی واضح برای حفظ مزیت کوانتومی تعریف کردند. این تغییر پارادایم—از محافظت غیرفعال به کنترل فعال محیط—نه تنها مسیری امیدوارکننده به سوی کامپیوترهای کوانتومی مقاومتر و مقیاسپذیرتر ارائه میدهد، بلکه درک ما را از رقص پیچیده میان اطلاعات، نویز و حرکت در سطح کوانتومی عمیقتر میکند.
منبع: Quantum Zeitgeist