⚛️ quantum physics

Computing with many encoded logical qubits beyond break-even

باستخدام معالج "كوانتينيوم هيليوس" (Quantinuum Helios) للأيونات المحاصرة ذي الـ 98 كيوبت، أظهر الباحثون أداءً "يتجاوز نقطة التعادل" لأكواد كشف وتصحيح الخطأ الكمي عالية المعدل من خلال تنفيذ عمليات حسابية باستخدام ما يصل إلى 94 كيوبت منطقي تفوقت على نظيراتها غير المشفرة عبر مختلف معايير تحمل الخطأ ومحاكاة كمية.

المؤلفون الأصليون: Shival Dasu, Matthew DeCross, Andrew Y. Guo, Ali Lavasani, Jan Behrends, Asmae Benhemou, Yi-Hsiang Chen, Karl Mayer, Chris N. Self, Selwyn Simsek, Basudha Srivastava, M. S. Allman, Jake Arkinstall, Ju

نُشر 2026-02-26

📖 4 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Shival Dasu, Matthew DeCross, Andrew Y. Guo, Ali Lavasani, Jan Behrends, Asmae Benhemou, Yi-Hsiang Chen, Karl Mayer, Chris N. Self, Selwyn Simsek, Basudha Srivastava, M. S. Allman, Jake Arkinstall, Justin G. Bohnet, Nathaniel Q. Burdick, J. P. Campora, Alex Chernoguzov, Samuel F. Cooper, Robert D. Delaney, Joan M. Dreiling, Brian Estey, Caroline Figgatt, Cameron Foltz, John P. Gaebler, Alex Hall, Craig A. Holliman, Ali A. Husain, Akhil Isanaka, Colin J. Kennedy, Yuga Kodama, Nikhil Kotibhaskar, Nathan K. Lysne, Ivaylo S. Madjarov, Michael Mills, Alistair R. Milne, Brian Neyenhuis, Annie J. Park, Anthony Ransford, Adam P. Reed, Steven J. Sanders, Charles H. Baldwin, David Hayes, Ben Criger, Andrew C. Potter, David Amaro

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل أنك تحاول إرسال رسالة حساسة للغاية عبر محيط هائج. هذه الرسالة هي حبة رمل واحدة (كيوبت - qubit). المحيط مليء بالأمواج والرياح (الضجيج والأخطاء) التي يمكنها بسهولة جرف حبة الرمل أو تحويلها إلى طين.

في عالم الحوسبة الكمومية، هذا "الكيوبت" هش للغاية. إذا حاولت إرسال رسالة طويلة (إجراء عملية حسابية معقدة)، فإن الضجيج عادة ما يدمرها قبل أن تصل إلى وجهتها.

لفترة طويلة، حاول العلماء حل هذه المشكلة عن طريق بناء سفينة ضخمة ومعززة (كود تصحيح الخطأ الكمومي) لحمل حبة الرمل. لكن كانت هناك عقبة: لبناء سفينة قوية بما يكفي لحماية حبة رمل واحدة، كنت ستحتاج لاستخدام معظم أسطولك من السفن تقريبًا. سيكون لديك 100 سفينة مادية لحمل رسالة آمنة واحدة فقط. وهذا ما يسمى بـ "العبء الإضافي" (Overhead)، وهو ما جعل الحواسيب الكمومية بطيئة ومكلفة لدرجة تمنع الاستفادة منها.

الاختراق الكبير
هذه الورقة البحثية من شركة "Quantinuum" تشبه الإعلان عن نوع جديد من تصميم السفن يمكنه حمل العديد من حبات الرمل في وقت واحد، باستخدام عدد قليل جدًا من السفن الإضافية. إنهم يسمونها "أكواد الجبل الجليدي" (Iceberg Codes).

إليك التبسيط لما فعلوه:

1. خدعة "الجبل الجليدي"

عادةً، لحماية رسالة ما، نقوم بإخفائها داخل حصن. لكن بناء حصن لكل رسالة على حدة هو أمر مكلف.
فكرة "الجبل الجليدي" ذكية: بدلاً من بناء حصن منفصل لكل حبة رمل، قاموا ببناء حصن واحد ضخم ومشترك يمكنه احتواء العشرات من حبات الرمل.

التشبيه: تخيل أن لديك مجموعة من الأصدقاء (الكيوبتات المنطقية) يحاولون عبور نهر. بدلاً من إعطاء كل صديق قاربًا خاصًا به ومكلفًا، يصعدون جميعًا على متن بارجة ضخمة ومعززة (الكيوبتات المادية). إذا ضربت موجة البارجة، فقد صُممت بحيث إذا انزلق شخص واحد، يمكن للآخرين أن يدركوا فورًا: "مهلًا، لقد سقط بوب!" ويقوموا بإصلاح الأمر دون إيقاف الرحلة بأكملها.
النتيجة: تمكنوا من حشر 94 كيوبتًا منطقيًا (الرسائل الآمنة) داخل حاسوبهم الذي يحتوي على 98 كيوبتًا. هذه كفاءة تقترب من نسبة 1 إلى 1!

2. "ما وراء نقطة التعادل"

في الماضي، عندما كان العلماء يحاولون استخدام أكواد تصحيح الأخطاء هذه، كانت عملية التحقق من الأخطاء وإصلاحها بطيئة وغير دقيقة لدرجة أن الرسالة "المصححة" كانت في الواقع أسوأ من مجرد إرسال الرسالة الأصلية غير المصححة. كان الأمر يشبه توظيف حارس أمن يقضي معظم وقته في فحص الهويات لدرجة أن اللص يتمكن من الهروب.

هذه الورقة هي المرة الأولى التي يثبتون فيها أن الرسالة المصححة هي في الواقع أفضل من الرسالة الأصلية.

التشبيه: لقد نجحوا أخيرًا في بناء نظام أمني حيث يكون الحارس سريعًا وذكيًا لدرجة أن مجموعة الأصدقاء تعبر النهر أسرع وأكثر أمانًا مع وجود الحارس مما لو كانوا بدون حارس. وهذا ما يسمى "تجاوز نقطة التعادل" (أو في هذه الحالة، "ما وراء التعادل").

3. الطبقات "المتداخلة" (مثل دمى الماتريوشكا)

لم يتوقفوا عند طبقة واحدة من الحماية. لقد استخدموا تقنية تسمى "التداخل" (Concatenation)، وهي تشبه وضع صندوق صغير داخل صندوق أكبر، وهذا الصندوق الأكبر داخل صندوق أكبر منه.

التشبيه: تخيل أن لديك مزهرية هشة. تقوم بتغليفها بفقاعات الحماية (المستوى 1). ثم تضع المزهرية المغلفة داخل صندوق خشبي (المستوى 2). ثم تضع هذا الصندوق داخل حاوية شحن فولاذية (المستوى 3).
من خلال تكديس أكواد "الجبل الجليدي" فوق بعضها البعض، أنشأوا درعًا قويًا للغاية. لقد أظهروا أنه من خلال إضافة هذه الطبقات، يمكنهم جعل الحاسوب أكثر موثوقية، حتى لو كانت الأجزاء الفردية لا تزال مهتزة قليلاً.

4. "اختبار المرآة"

لإثبات نجاح نظامهم، لم يكتفوا بإجراء اختبار عشوائي. بل أجروا محاكاة لمادة مغناطيسية (شبكة ثلاثية الأبعاد من المغناطيسات الدوارة).

التشبيه: تخيل أنك تحاول التنبؤ بكيفية ظهور رقصة معقدة. تقوم بتشغيل الرقصة للأمام، ثم تقوم بتشغيلها للخلف. إذا انتهيت تمامًا من حيث بدأت، فهذا يعني أن رقصتك كانت مثالية. إذا انتهيت في مكان مختلف، فأنت تعلم أنك ارتكبت خطأً.
لقد أجروا هذا "الاختبار المرآتي" باستخدام 64 كيوبتًا محميًا. النسخة المشفرة (المحمية) أدت بشكل أفضل بكثير من النسخة غير المحمية، مما يثبت أن سفينة "الجبل الجليدي" الخاصة بهم تحافظ حقًا على الحمولة آمنة.

لماذا يهم هذا؟

لسنوات، ظل الحوسبة الكمومية عالقة في "وادي الموت". لدينا الأجهزة، لكنها مليئة بالضجيج لدرجة تمنع القيام بأي شيء مفيد. كنا بحاجة إلى طريقة لإصلاح الأخطاء دون استهلاك جميع مواردنا.

هذه الورقة تقول: "لقد وجدنا الطريقة."

لقد أظهروا أنه يمكنك امتلاك العديد من الكيوبتات المنطقية (ما يصل إلى 94) تعمل معًا.
أثبتوا أن إصلاح الأخطاء يحسن النتيجة بالفعل، بدلاً من الإضرار بها.
قاموا بذلك على آلة حقيقية تعمل (حاسوب Helios من النوع الأيوني المحاصر)، وليس مجرد محاكاة حاسوبية.

باختاً مختصراً: لقد اكتشفوا كيفية بناء حاسوب كمومي قوي بما يكفي لمواجهة العاصة، وفعال بما يكفي لحمل حمولة ثقيلة، وسريع بما يكفي للتفوق فعليًا على الحاسوب التقليدي في مهمة حقيقية. إنها خطوة هائلة نحو اليوم الذي يمكن فيه للحواسيب الكمومية حل مشكلات مستعصية حاليًا على أي حاسوب خارق على وجه الأرض.

إليك ملخص تقني مفصل لورقة البحث "الحوسبة باستخدام العديد من الكيوبتات المنطقية المشفرة بما يتجاوز نقطة التعادل" (Computing with many encoded logical qubits beyond break-even) من قبل داسو وآخرون (كوانتينيوم).

1. بيان المشكلة

تعد تصحيح الأخطاء الكمومية (QEC) ضرورية لتوسيع نطاق الحواسيب الكمومية لحل المشكلات العملية، ولكنها تتطلب تقليديًا أعباءً هائلة في عدد الكيوبتات الفيزيائية وعمق الدوائر. لقد اقتصرت معظم التجارب العملية حتى الآن على أعداد صغيرة من الكيوبتات المنطقية التي لم تتفوق بعد على الحوسبة غير المشفرة (الفيزيائية) ("نقطة التعادل" أو break-even).

التحدي: يتطلب تنفيذ أكواد تصحيح الأخطاء الكمومية عالية المعدل (ترميز العديد من الكيوبتات المنطقية في عدد قليل من الكيوبتات الفيزيائية) بوابات عالية الدقة واتصالاً بعيد المدى. غالبًا ما تفتقر الأجهزة الحالية إلى الاتصال اللازم لتنفيذ هذه الأكواد بكفاءة أو الدقة اللازمة لإثبات مكاسب الأداء مقارنة بالعمليات غير المشفرة.
الفجوة: بينما تمثل الخوارزميات كاملة تحمل الخطأ (FT) الهدف النهائي، إلا أن هناك فجوة تعقيد كبيرة قبل أن تتفوق هذه الخوارزميات على العمليات غير المشفرة. هناك حاجة لتقنيات "جزئية تحمل الخطأ" (pFT) يمكنها تحسين الأداء فورًا وإثبات نتائج "تتجاوز نقطة التعادل" على الأجهزة القريبة من المدى التجاري.

2. المنهجية

استخدم المؤلفون معالج كوانتينيوم هيليوس (Quantinuum Helios) للآيونات المحاصرة، وهو جهاز يحتوي على 98 كيوبت مع اتصال "الكل إلى الكل"، مما يجعله مثاليًا لتنفيذ الأكواد غير المحلية هندسيًا.

أ. عائلة الأكواد: أكواد آيسبرغ المتسلسلة (Concatenated Iceberg Codes)

جوهر هذا العمل هو تنفيذ أكواد آيسبرغ ( $I_k$ ) وتسلسلها.

كود آيسبرغ QED ( $d=2$ ): هذه أكواد اكتشاف أخطاء كمومية (QED) منخفضة العبء. يقوم كود $I_k$ بترميز $k$ من الكيوبتات المنطقية في $k+2$ من الكيوبتات الفيزيائية (بإضافة 2 فقط من الكيوبتات المساعدة) لاكتشاف أي خطأ أحادي الكيوبت.
تصحيح الأخطاء الكمومية المتسلسل ( $d=4$ ): من خلال تسلسل اثنين من أكواد آيسبرغ ( $I_{k_2} \circ I_{k_1}$ )، أنشأ المؤلفون أكواد تصحيح أخطاء كمومية (QEC) بمسافة $d=4$ . وهذا يسمح بتصحيح الأخطاء الفردية واكتشاف الأخطاء المزدوجة.
القابلية للتوسع: أظهر المؤلفون أكوادًا تصل إلى 94 كيوبت منطقي (QED) و 48 كيوبت منطقي (QEC) على معالج هيليوس المكون من 98 كيوبت.

ب. أدوات وبروتوكولات تحمل الخطأ (Fault-Tolerant Gadgets)

لتحقيق أداء "يتجاوز نقطة التعادل"، قدم الفريق أدوات FT و pFT جديدة محسنة لبنية هيليوس:

تحضير الحالة (SPAM): تم تطوير دوائر شجرية ذات عمق لوغاريتمي لتحضير حالات $|0\rangle$ المنطقية وحالات GHZ. استخدموا بروتوكولات "التكرار حتى النجاح" (RUS) و "المساحات الفرعية الخالية من التحلل" (DFS) للتخفيف من الأخطاء المتماسكة وزيادة معدلات القبول.
استخراج المتلازمة (Syndrome Extraction): قدموا أدوات جديدة باستخدام حالات GHZ لاستخراج المتلازمة، مما سمح بالتوازي العالي (مجموعات من 8 بوابات) ليتناسب مع مناطق البوابات في هيليوس. حل هذا محل طرق الاستخراج التسلسلي، مما قلل من العبء الزمني.
البوابات المنطقية:
- تنفيذ مجموعة بوابات شاملة تشمل بوابات $U_{ZZ}(\theta)$ داخل الكتلة (غير FT) وبوابات FANOUT منطقية (FT).
- استخدام "التدوير الباولي" (Pauli Twirling) و "اختبار دورة القياس" (Cycle Benchmarking - CB) لتقدير دقة البوابات المنطقية.
تحمل الخطأ الجزئي (pFT): بالنسبة لمحاكاة الهاميلتوني، استخدموا تقنيات pFT حيث يكون تحضير الحالة واستخراج المتلازمة FT، بينما بوابات المحاكاة (الدوران) ليست FT بالكامل. يستفيد هذا من انحياز البوابات الأصلية للجهاز (حيث تكون الأخطاء الخطيرة نادرة) لتحقيق دقة عالية دون الحاجة إلى عبء التقطير الكامل.

ج. استراتيجية القياس المرجعي (Benchmarking Strategy)

تستخدم الورقة بروتوكول "القياس المرجعي المرآتي" (Mirror Benchmarking - MB) لمحاكاة الهاميلتوني. يتضمن ذلك تشغيل تطور زمني أمامي ثم تطور عكسي لقياس احتمالية البقاء $P(t) = |\langle \psi_0 | U^\dagger U | \psi_0 \rangle|^2$ . يسمح هذا بتقدير الدقة دون الحاجة إلى محاكاة كلاسيكية للحالة الكمومية الكاملة (وهو أمر مستعصٍ لهذه الأحجام من الأنظمة).

3. المساهمات الرئيسية

إثبات تجاوز نقطة التعادل: أول عرض تجريبي حيث تفوقت الحسابات المنطقية المشفرة باستمرار على نظيراتها الفيزيائية غير المشفرة عبر مجموعة واسعة من الاختبارات، بما في ذلك تحضير الحالة، عمليات البوابات، والمحاكاة المعقدة.
أكواد متسلسلة عالية المعدل: التنفيذ الناجح لأكواد آيسبرغ المتسلسلة مع ما يصل إلى 48 كيوبت منطقي ومسافة $d=4$ ، مما يثبت جدوى الأكواد عالية المعدل على الأجهزة الحالية.
أدوات FT مبتكرة: تقديم أدوات استخراج متلازمة قائمة على حالات GHZ ودوائر تحضير حالة ذات عمق لوغاريتمي، مما يقلل بشكل كبير من الأعباء الزمنية والمكانية مقارنة بالطرق السابقة (مثل QEC من طراز Knill).
محاكاة pFT على نطاق واسع: تنفيذ محاكاة مغناطيسية نموذج XY ثلاثي الأبعاد باستخدام 64 كيوبت منطقي، مما يثبت أن مخططات pFT يمكن أن تمد نطاق الحواسيب الكمومية إلى ما وراء حدود المحاكاة الكلاسيكية.
توسع اختيار الحالة (Postselection Scaling): وجود دليل على أن زيادة مسافة الكود عبر التسلسل يقلل من أعباء الاختيار اللاحق بشكل أسي، مما يجعل الأكواد ذات المسافة العالية عملية للحسابات الطويلة.

4. النتائج الرئيسية

أداء SPAM: حقق تحضير وقياس الحالة المنطقية المشفرة تحسنًا في معدلات الخطأ بنسبة >10 أضعاف مقارنة بالكيوبتات الفيزيائية غير المشفرة. بالنسبة لكود $d=4$ المتسلسل، تم حصر عدم الدقة المنطقية عند أقل من $4 \times 10^{-5}$ مع تسجيل صفر أخطاء منطقية في 5,000 محاولة.
دقة البوابة المنطقية: تم قياس عدم الدقة في البوابات المنطقية بين $(1.0 - 1.2) \times 10^{-4}$ . وهذا يتفوق بشكل كبير على خطأ البوابة ثنائية الكيوبت الفيزيائية الأصلية البالغ $\sim 8 \times 10^{-4}$ في جهاز هيليوس.
تحضير حالة GHZ: تم تحقيق تحضير عالي الدقة لحالات GHZ المنطقية. والجدير بالذكر أن كود $I_{8} \circ I_{6}$ (48 كيوبت منطقي) وأكواد $I_4$ التي تعتمد على تسريب الحالة (leakage-heralded) (60 كيوبت منطقي) سجلت صفر أخطاء منطقية عبر آلاف المحاولات.
محاكاة الهاميلتوني (نموذج XY):
- أظهرت المحاكاة المشفرة لمغناطيسية مضادة ثلاثية الأبعاد (3D XY model) انخفاضًا بنسبة ~30% في معدلات خطأ البوابات ثنائية الكيوبت الفعالة مقارنة بالمحاكاة غير المشفرة.
- نجح النظام في محاكاة ديناميكيات من المرجح أن تكون مستعصية على الحواسيب الكلاسيكية بسبب الأبعاد العالية (شبكة 4x4x4) والانتشار السريع للتشابك.
معدلات القبول: كان معدل القبول لكود $d=4$ المتسلسل هو 0.62(2)، وهو أعلى بكثير مما هو متوقع للأنظمة غير المصححة، مما يثبت أن تصحيح الأخطاء يعمل بفعالية على تصفية الضجيج.

5. الأهمية والآفاق المستقبلية

جدوى الأكواد عالية المعدل: يثبت هذا العمل أن أكواد QEC/QED عالية المعدل ليست مجرد إنشاءات نظرية، بل هي أدوات عملية لتحقيق التفوق الكمي في المدى القريب. فهي تسمح بترميز العديد من الكيوبتات المنطقية بأقل قدر من الأعباء.
المسار نحو تحمل الخطأ الكامل: من خلال إثبات أن التسلسل يحسن معدلات القبول دون تقليل الدقة، توفر الورقة خارطة طريق واضحة للتوسع نحو أنظمة تحمل الخطأ الكامل.
التفوق الكلاسيكي: تمثل المحاكاة الناجحة لنموذج XY ثلاثي الأبعاد بـ 64 كيوبت منطقي خطوة نحو الحوسبة "ما وراء النطاق الكلاسيكي"، حيث يقوم الحاسوب الكمومي بمهام لا تستطيع الحواسيب الفائقة الكلاسيكية محاكاتها بفعالية.
إمكانية التطبيق على أجهزة أخرى: رغم أنه تم إثبات ذلك على الأيونات المحاصرة، إلا أن مبادئ الاتصال العالي وهذه الهياكل المحددة من الأكواد قابلة للتطبيق على منصات أخرى مثل الذرات المحايدة، مما يسرع تطوير حواسيب كمومية عالمية كاملة تحمل الخطأ.

باختًا، تمثل هذه الورقة انتقالًا محوريًا من تجارب تصحيح الأخطاء صغيرة النطاق إلى حسابات منطقية عالية المعدة وواسعة النطاق تتفوق بشكل ملموس على الكيوبتات الفيزيائية، مما يؤكد جدوى الحوسبة الكمومية العملية في المدى القريب.