Error Correction in a Distributed Quantum Computer
تقدم هذه الورقة أول عرض تجريبي للكشف عن الأخطاء الكمومية الموزعة وتصحيحها من خلال توليد التشابك بين معالجين منفصلين من الأيونات المحاصرة لإجراء قياسات متلازمة عن بُعد، حيث نجحت في كشف أخطاء قلب الطور وتصحيح أخطاء "باولي" أحادية الكيوبت التعسفية بنشاط على كيوبت منطقي موزع.
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
لبناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرة الآلات اليوم، يتجه العلماء إلى شكل غريب وقوي من الفيزياء يسمى ميكانيكا الكم. هذه الآلات المستقبلية، المعروفة باسم الحواسيب الكمومية، تعتمد على وحدات صغيرة من المعلومات تسمى الكيوبتات (qubits). وبخلاف البتات في الحاسوب القياسي التي تكون إما صفراً أو واحداً، يمكن للكيوبتات أن توجد في حالة دقيقة من الوجود في الحالتين معاً في آن واحد. وهذا يسمح لها بمعالجة كميات هائلة من المعلومات في وقت متزامن. ومع ذلك، فإن هذه الطبيعة الدقيقة هي أيضاً نقطة ضعفها الكبرى؛ إذ يمكن لأدنى اضطراب ناتج عن الحرارة، أو الاهتزاز، أو المجالات الكهرومغناطيسية الشاردة أن يتسبب في فقدان الكيوبت لمعلوماته، وهي مشكلة تُعرف بالخطأ. ولبناء آلة مفيدة، يجب على الباحثين إيجاد طريقة لحماية هذه الحالات الهشة. ويكمن الحل في نشر المعلومات عبر العديد من الكيوبتات الفيزيائية، لإنشاء وحدة منطقية واحدة قوية. فإذا ارتكب جزء من المجموعة خطأً، يمكن للأجزاء الأخرى اكتشافه وإصلاحه دون تدمير المعلومات. وتسمى هذه العملية بتصحيح الخطأ، وهي المفتاح الأساسي لإطلاق الإمكانات الكاملة للحوسبة الكمومية.
لسنوات، تمكن الباحثون من إجراء عملية تصحيح الخطأ هذه داخل جهاز واحد معزول. ولكن مع تزايد الحاجة إلى حواسيب أكثر قوة، لن تكون الآلة الواحدة كافية. والخطوة التالية هي ربط العديد من الأجهزة الأصغر معاً لتشكيل شبكة موزعة ضخمة. هذا النهج، المعروف بالبنية المعمارية النمطية (modular architecture)، يسمح للعلماء بالتوسع عبر إضافة المزيد من المعالجات بدلاً من محاولة حشر كل شيء في شريحة واحدة عملاقة. والتحدي يكمكم في أن هذه المعالجات المنفصلة يجب أن تتواصل مع بعضها البعض لأداء عملية تصحيح الخطأ؛ فهي بحاجة إلى التحقق من حالة الكيوبتات في آلة ما مقابل الكيوبتات في آلة أخرى، على بعد أميال، دون تحريك الجسيمات مادياً. وحتى الآن، لم يتم بنجاح عرض هذه المهمة المحددة —وهي قياس العلاقة بين الكيوبتات البعيدة للإمساك بالأخطاء— في تجربة حقيقية.
لقد حقق فريق من الباحثين في جامعة أكسفورد الآن هذا الإنجاز. حيث قاموا ببناء شبكة كمومية صغيرة النطاق تتكون من معالجين منفصلين، وُضعا على بعد حوالي مترين في مختبرهم. احتوى كل معالج على أيونات محتجزة، وهي ذرات فردية معلقة في فراغ بواسطة مجالات كهربائية، وقد عملت هذه الأيونات ككيوبتات. ولربط الجهازين، استخدم العلماء الضوء؛ حيث دفعوا الأيونات لإصدار فوتونات، أو جسيمات ضوئية، ثم وجهوا هذه الفوتونات إلى نقطة مركزية حيث تداخلت مع بعضها البعض. وقد خلق هذا التفاعل رابطاً خاصاً يسمى "التشابك" (entanglement) بين المعالجين المتباعدين. وفي هذه الحالة، أصبح المعالجان نظاماً واحداً مشتركاً، رغم انفصالهما المادي.
ومع إنشاء هذا الرابط، اختبر الفريق ما إذا كان بإمكانهم استخدامه لأداء عملية اكتشاف الخطأ. لقد قاموا بتشفير قطعة واحدة من المعلومات عبر المعالجين، مما أدى فعلياً إلى إنشاء كيوبت منطقي يعيش في كلا المكانين في آن واحد. ثم أدخلوا نوعاً معيناً من الأخطاء، وهو "انقلاب الطور" (phase flip)، وهو طريقة شائعة لحدوث خلل في المعلومات الكمومية. ومن خلال قياس العلاقة بين الكيوبتات البعيدة باستخدام رابطهما المتشابك، استطاع الباحثون معرفة ما إذا كان قد وقع خطأ ما. وعندما أشارت عملية القياس إلى وجود خطأ، قاموا فوراً بإيقاف العملية، وإعادة ضبط النظام، والمحاولة مرة أخرى. ومن خلال تكرار هذه الدورة، تمكنوا من تصفية الأخطاء والحفاظ على المعلومات الصحيحة سليمة. وقد وجدوا أن هذه الطريقة نجحت في كبح الأخطاء، مما أثبت قدرتهم على حماية كيوبت منطقي منتشر عبر جهازين مختلفين.
ذهبت التجربة خطوة أبعد، فلم تكتفِ بمجرد اكتشاف الأخطاء، بل قامت بإصلاحها فعلياً. فقد أعد الباحثون حالة متشابكة للغاية ومحددة بين المعالجين، تُعرف باسم "حالة بيل" (Bell state). ثم أدخلوا ضوضاء عشوائية لبعثرة المعلومات. وباستاستخدام نفس الرابط عن بُعد، قاموا بقياس النظام لمعرفة نوع الخطأ الذي حدث بالضبط. وبناءً على نتيجة ذلك القياس، أرسلوا إشارة كلاسيكية عائدة إلى المعالجات لتطبيق تصحيح دقيق. حدث هذا في الوقت الفعلي؛ حيث رصد النظام الخطأ، ونقل النتيجة، وصحح الحالة قبل فقدان المعلومات. وكانت النتيجة هي بقاء جودة الحالة المتشابكة عالية، حتى مع زيادة الضوضاء حولها. ولولا هذا التصحيح النشط، لكانت الحالة قد تدهورت بسرعة.
يُظهر هذا العمل أن اللبنات الأساسية لحاسوب كمومي واسع النطاق وقادر على تحمل الأخطاء يمكن أن تعمل عبر شبكة. لقد أظهر الباحثون أنه من الممكن توليد الروابط اللازمة بين المعالجات، وقياس حالة الكيوبتات البعيدة، واستخدام تلك المعلومات لتصحيح الأخطاء. وبينما لا يزال النظام الحالي صغيراً ومعدلات الخطأ فيه ليست منخفضة بما يكفي لحاسوب كامل النطاق، إلا أن التجربة تثبت أن المفهوم يعمل. إن العقبات الرئيسية المتبقية هي تقنية، مثل تحسين سرعة الاتصالات وجودة البوابات المستخدمة للتحكم في الأيونات، وليست أي خلل جوهري في الفكرة ذاتها. ومن خلال الجمع بين المنطق الكمومي المحلي والاتصالات عن بُعد، يفتح هذا البحث مساراً واضحاً نحو بناء حواسيب كمومية كبيرة بما يكفي لحل أكثر مشكلات العالم تعقيداً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.