Resilience Beyond the Light Cone: Error-Detected Primitives for Practical Dynamic Circuits

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات قد تستغرق الآلات الكلاسيكية آلاف السنين لحلها، لكنها تواجه عقبة أساسية: فهي هشة للغاية. ولإجراء الحسابات، تقوم هذه الآلات بمعالجة جزيئات صغيرة تسمى "الكيوبتات" (qubits)، والتي يمكن أن توجد في حالة دقيقة من كونها 0 و1 في الوقت نفسه. الطريقة القياسية لبناء دائرة كمومية هي رصف سلسلة من العمليات، واحدة تلو الأخرى، مثل الخرز على خيط. والمشكلة هي أنه كلما أضفت المزيد من الخرز، زاد احتمال انقطاع السلسلة بسبب الضوضاء والعيوب في الأجهزة. وهذا يخلق "مخروط ضوء" من التأثير، مما يعني أن التغيير في بداية الدائرة يمكن أن يصل فقط إلى عدد محدود من الكيوبتات بحلول وقت انتهاء الحساب، ما لم تكن الدائرة عميقة وطويلة جداً.

ولكسر هذا الحد، طور الباحثون "الدوائر الديناميكية". فبدلاً من انتظار انتهاء الحساب بأكمله، تتوقف هذه الدوائر في المنتصف لقياس بعض الكيوبتات واستخدام النتائج لتغيير التعليمات المتبقية فوراً. وهذا يسمح للآلة بإنشاء اتصالات بين كيوبتات بعيدة عن بعضها البعض دون الحاجة إلى سلسلة طويلة من العمليات عرضة للأخطاء. ومع ذلك، فإن هذه السرعة تأتي بثمن؛ إذ إن عملية القياس والاستجابة في الوقت الفعلي تُدخل أخطاءها الخاصة، وغالباً ما تنبع من كون أجهزة القياس نفسها غير مثالية. وفي الأجهزة الحالية، يمكن أن تكون أخطاء القياس هذه شديدة لدرجة أنها تدمر الاتصالات طويلة المدى التي يُفترض أن هذه التقنية تنشئها، مما يجعل الدائرة الديناميكية لا تختلف عن الطريقة التقليدية البطيئة.

لقد وجد فريق من الباحثين من شركة "IBM Quantum" وجامعة "ويسكونسن ماديسون" طريقة لإصلاح هذه المقايضة. فقد طوروا طريقة جديدة تسمح لهذه الدوائر الديناميكية السريعة باكتشاف أخطائها والتخلص منها دون الحاجة إلى أجهزة إضافية أو إبطاء العملية. ومن خلال التعامل مع المعلومات الكمومية كإشارة موزعة عبر العديد من الكيوبتات، أنشأوا نظاماً يمكنه رصد متى يسوء القياس ببساطة والتخلص من تلك المحاولة المحددة، والاحتفاظ بالناجحة منها فقط. وفي تجارب على معالج كمومي فائق التوصيل، سمح هذا النهج بإنشاء زوج متشابك بعيد المدى من الكيوبتات يفصل بينهما 100 كيوبت آخر بنسبة نجاح أثبتت أن الاتصال حقيقي، وهو إنجاز لم تستطع النسخة التقلية المليئة بالأخطاء من الدائرة نفسها تحقيقه.

يعتمد جوهر هذه الطريقة الجديدة على مفهوم يطلق عليه المؤلفون اسم "التحكم الموزع". تخيل محاولة التحكم في مفتاح ضوء واحد متصل بمائة ضوء مختلف منتشر في غرفة. في الإعداد التقليدي، سيتعين عليك السير في ممر طويل، وتفعيل المفاتيح واحداً تلو الآخر، مما يستغرق وقتاً ويخاطر بقطع الاتصال. في النهج الدينماكي، قام الفريق بنشر إشارة "التحكم" عبر جميع الأضواء في وقت واحد باستخدام حالة مشتركة خاصة. ثم استخدموا عملية مكونة من خطوتين: أولاً، توزيع إشارة التحكم هذه عبر الآلة، وثانياً، تقليصها مرة أخرى إلى نقطة واحدة لإتمام المهمة. وتكمن براعة عملهم في كيفية التعامل مع الخطوة الثانية؛ فبدلاً من مجرد تقليص الإشارة، أضافوا طبقة من الفحوصات التي تتحقق مما إذا كانت الإشارة قد ظلت سليمة أثناء الرحلة.

تعمل هذه الفحوصات من خلال البحث عن التناقضات في نمط الكيوبتات. إذا تعرضت الإشارة للفساد بسبب الضوضاء أو القياس السيئ، فسيظهر النمط بشكل خاطئ، وسيقوم النظام بوسم المحاولة كفشل. اختبر الباحثون نوعين من الفحوصات: النوع الأول، الذي يسمونه "الفحوصات الصريحة"، ينظر مباشرة إلى أزواج محددة من الكيوبتات ليرى ما إذا كانت متطابقة. أما النوع الثاني، المسمى "الفحوصات الضمنية"، فهو أكثر قوة؛ حيث يقارن نتائج القياسات المختلفة ببعضها البعض للإمساك بالأخطاء التي قد تفوت النوع الأول، بما في ذلك الأخطاء الناتجة عن أجهزة القياس نفسها. وبينما تعني هذه العملية أن على الكمبيوتر تشغيل الحساب مرات أكثر للعثور على نتيجة ناجحة، فقد وجد الباحثون أن المقايضة تستحق العناء؛ فالنتائج الناجحة ذات جودة أعلى بكثير، والوقت الإضافي المستغرق في انتظار نتيجة جيدة هو أقل بكثير من الوقت الضائع بسبب الأخطاء في الإعداد التقليدي.

لإثبات نجاح ذلك في العالم الحقيقي، أجرى الفريق تجارب على معالج كمومي يسمى "IBM Boston". تضمن اختبارهم الأول إنشاء "بوابة طويلة المدى"، وهي أداة تربط بين اثنين من الكيوبتات البعيدين عن بعضهما. لقد تمكنوا من ربط اثنين من الكيوبتات يفصل بينهما سلسلة من 100 كيوبت آخر. وبدون طريقة اكتشاف الخطأ الخاصة بهم، كان الاتصال ضعيفاً جداً بحيث لا يمكن اعتباره حقيقياً، حيث بلغت درجة الدقة (fidelity) حوالي 0.39. ومع تفعيل اكتشاف الخطأ، قفزت الدقة إلى 0 59، وهي درجة كافية لإثبات أن الكيوبتات البعيدين متشابكان حقاً. كان هذا تحسناً كبيراً، مما أظهر أن اكتشاف الخطأ نجح في تصفية الضوضاء التي تفسد عادةً هذه الاتصالات طويلة المدى.

وفي تجربة ثانية، استخدم الفريق نفس التقنية لإعداد نوع معين من الحالات المعقدة المعروفة باسم "حالة W" (W state)، والتي تتضمن إثارة واحدة مشتركة بين العديد من الكيوبتات. قاموا بإعداد هذه الحالات لأنظمة تتراوح من 5 إلى 20 كيوبت. وفي كل حالة، أنتجت النسخة المزودة باكتشاف الخطأ نتيجة أكثر نقاءً بكثير. وبالنسبة لأكبر نظام مكون من 20 كيوبت، حسن اكتشاف الخطأ جودة الحالة بنحو 0.2 مقارنة بالطريقة القياسية. وأشار الباحثون إلى أنه بينما تتطلب العملية التخلص من بعض المحاولات، فإن معدل النتائج الناجحة ظل مرتفعاً بما يكفي ليكون عملياً. ولاحظوا أن الطريقة كانت فعالة بشكل خاص في إصلاح الأخطاء الناتجة عن عملية القياس نفسها، والتي غالباً ما تكون العقبة الكبرى في الدوائر الديناميكية.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما وراء هذين الاختبارين فقط. فقد أظهر الباحثون أن إطار عملهم يمكن تطبيقه على مجموعة واسعة من المهام، بما في ذلك إعداد حالات معقدة مثل "حالات ديك" (Dicke states) وتشغيل أداة خوارزمية أساسية تسمى "اختبار هادامارد" (Hadamard test). ومن خلال توحيد هذه المهام المختلفة تحت استراتيجية واحدة لاكتشاف الخطأ، فقد قدموا مجموعة أدوات يمكنها ترقية العديد من البروتوكولات الكمومية الموجودة. لا تتطلب هذه الطريقة إضافة المزيد من الكيوبتات إلى الآلة، وهو ميزة كبرى للأجهزة الحالية التي تعاني بالفعل من ضيق المساحة؛ بدلاً من ذلك، تستخدم الكيوبتات الموجودة بشكل أكثر ذكاءً، حيث تضحي بالقليل من الوقت مقابل مكسب كبير في الدقة.

يشير هذا البحث إلى أن الطريق نحو حوسبة كمومية مفيدة قد لا يتطلب انتظار آلات مثالية وخالية من الأخطاء. بدلاً من ذلك، فإنه يشير إلى مستقبل يمكننا فيه استخدام الأدوات غير المثالية التي نمتلكها اليوم بشكل أكثر فعالية. ومن خلال قبول حدوث الأخطاء وبناء أنظمة يمكنها تحديدها والتخلص منها أثناء التشغيل، يمكننا دفع حدود الممكن باستخدام التكنولوجيا الحالية. يوضح عمل الفريق أن الدوائر الديناميكية، التي كانت تعاني سابقاً من أخطاء القياس الخاصة بها، يمكن الآن جعلها قوية بما يكفي لأداء مهام كانت تعتبر في السابق بعيدة المنال. ومع تقدم المجال، يمكن أن تصبح هذه التقنيات جزءاً قياسياً من كيفية برمجة الحواسيب الكمومية، مما يحول هشاشة اليوم إلى حجر زاوية للآلات القوية في الغد.