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. معمولاً هر چه از 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 7×7 – و هر بار با استفاده از آخرین پیشرفت‌هایمان در تصحیح خطای کوانتومی، توانستیم آن را کاهش دهیم. میزان خطا به نصف به عبارت دیگر، به کاهش تصاعدی در میزان خطا دست یافتیم. این دستاورد تاریخی در این زمینه به عنوان “زیر آستانه” شناخته می شود – توانایی کاهش خطاها در حین افزایش تعداد کیوبیت ها. 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.

“اول”های علمی دیگری نیز در این نتیجه دخیل هستند. به عنوان مثال، همچنین یکی از اولین نمونه های قانع کننده از تصحیح خطای بلادرنگ در یک سیستم کوانتومی ابررسانا است – برای هر محاسبات مفیدی بسیار مهم است، زیرا اگر نتوانید خطاها را به اندازه کافی سریع تصحیح کنید، محاسبات شما را قبل از انجام آن خراب می کنند. و این یک نمایش “فراتر از نقطه سر به سر” است، که در آن آرایه های کیوبیت های ما طول عمر بیشتری نسبت به کیوبیت های فیزیکی دارند، نشانه ای غیرقابل جعل نشان می دهد که تصحیح خطا به طور کلی سیستم را بهبود می بخشد.

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 کامپیوترهای کوانتومی مفید و بسیار بزرگ واقعاً می توانند ساخته شوند. Willow ما را به اجرای الگوریتم‌های کاربردی و تجاری مرتبط نزدیک‌تر می‌کند که نمی‌توانند در رایانه‌های معمولی تکرار شوند.

10 سپتیلیون سال در یکی از سریع ترین ابررایانه های امروزی

به عنوان معیاری برای عملکرد Willow، ما از معیار نمونه برداری مدار تصادفی (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 می سازد باید ابتدا بررسی کند که آیا می تواند 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 کرده‌ایم – نتایج Sycamore را در اکتبر 2019 و دوباره اخیراً در اکتبر 2024 گزارش کردیم.

عملکرد Willow در این معیار شگفت‌انگیز است: این محاسبات را در کمتر از پنج دقیقه انجام داد که یکی از سریع‌ترین ابررایانه‌های امروزی را 10 می‌برد.²⁵ یا 10 سپتیلیون سال اگر بخواهید آن را بنویسید، 10,000,000,000,000,000,000,000,000 سال است. این عدد حیرت‌انگیز از مقیاس‌های زمانی شناخته شده در فیزیک فراتر می‌رود و به مراتب 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 نمودار زیر نشان داده شده است، بهترین نتایج ما تاکنون بوده است، اما ما به پیشرفت خود ادامه خواهیم داد.