Loss-tolerant distributed lattice surgery using fusion networks

إن بناء حاسوب كمي يمكنه حل مشكلات العالم الحقيقي يتطلب ما هو أكثر من مجرد بضعة آلاف من الجسيمات الدقيقة التي تعمل كحوامل للمعلومات؛ بل يتطلب الملايين منها. إن العدد الهائل من المكونات الفيزيائية اللازمة لحماية قطعة واحدة من المعلومات من ضجيج الكون المستمر يعني أنه لن تكون هناك آلة واحدة كبيرة بما يكفي لاستيعابها جميعًا. وبدلاً من ذلك، يتطلع العلماء نحو مستقبل تترابط فيه العديد من المعالجات الكمية الأصغر حجمًا، لتشكل شبكة موزعة. ويكمن التحدي في عملية الاتصال نفسها. فبينما تتكون المعالجات داخل الآلات من مادة صلبة، تعتمد الروابط بينها على الضوء. وهذا يخلق عدم تطابق جوهري: فالأجزاء الصلبة تعاني من أخطاء بطيئة ومستمرة، بينما الروابط القائمة على الضوء عرضة لإخفاقات مفاجئة وكارثية حيث تتلاشى الفوتونات ببساطة.

في هذه الدراسة الجديدة، طور باحثون في إمبريال كوليدج لندن طريقة لسد هذه الفجوة. فهم يقترحون طريقة هجينة تتعامل مع فقدان الضوء ليس ككارثة يجب تجنبها، بل كحدث معروف يمكن إدارته. ومن خلال الجمع بين العمليات القياسية القائمة على الدوائر المستخدمة داخل المعالجات والنهج القائم على القياس المصمم للضوء، نجحوا في إنشاء بروتوكول لدمج ذاكرتين كميتين منفصلتين. وتشير أعمالهم إلى أنه من خلال ترتيب الاتصال في نمط مستطيل وممدد محدد، يمكنهم مضاعفة المسافة التي تُحمى خلالها المعلومات أثناء عملية الدمج، مما يجعل النظام بأكمله أكثر متانة بشكل كبير ضد الفقد الحتمي للفوتونات.

جوهر المشكلة يكمن في كيفية إجراء عملية مشتركة، مثل دمج ذاكرتين كميتين، عبر شبكة غير موثوقة. في الإعداد القياسي، قد يتم ربط معالجين كميين بخط اتصال مباشر. وإذا فُقد فوتون في ذلك الخط، فإن المعلومات تتعرض للفساد. تحاول الطرق التقليدية إصلاح هذه الأخطاء بعد وقوعها، ولكن عندما يكون معدل الفقد مرتفعًا، يصبح النظام مثقلًا بالأعباء. لقد لجأ الباحثون إلى استراتيجية مختلفة مستخدمة في الحوسبة الفوتونية، حيث يتم التعامل مع فقدان الجسيم كحدث "مُعلن" (heralded). وهذا يعني أن النظام يعرف بالضبط متى يغيب الفوتون، مما يسمح لبرمجيات تصحيح الأخطاء بتعديل استراتيجيتها في الوقت الفعلي بدلاً من التخمين فيما حدث خطأً.

لاختبار ذلك، استخدم الفريق لغة رياضية تسمى "حساب ZX"، والتي تسمح لهم بتصور ومعالجة الدوائر الكمية كرسوم بيانية. بدأوا بإجراء قياسي لدمج ذاكرتين كميتين، يُعرف باسم "جراحة الشبكة" (lattice surgery)، وقاموا بتحويل الرسم البياني لمعرفة كيف يمكن بناؤه باستخدام مزيج من المكونات ذات الحالة الصلبة والروابط القائمة على الضوء. واكتشفوا أنه من خلال تقسيم الاتصال إلى سلسلة من السلاسل الخطية الأصغر من الموارد، يمكنهم إنشاء واجهة "هجينة". في هذا الإعداد، تتولى المعالجات الصلبة العمليات المحلية، بينما تتولى الروابط القائمة على الضوء الاتصال بينها. والأهم من ذلك، وجدوا أنه يمكن تصميم هذا الترتيب الهجين ليكون أعرض بكثير من مجرد خط مستقيم بسيط.

قام الباحثون بمحاكاة هذه البنية الجديدة تحت ظروف مختلفة لمعرفة مدى صمودها. ووجدوا أنه عندما تكون المعالجات المحلية مثالية تقريبًا، يمكن للطريقة الهجينة الجديدة تحمل معدل فقد فوتونات يصل إلى 50 بالمائة. وهذا هو الحد النظري لهذا النوع من تصحيح الأخطاء، مما يعني أن النظام يمكنه البقاء حتى لو اختفى نصف الفوتونات الرابطة. والأهم من ذلك، قاموا بقياس "مسافة" الحماية. في تصحيح الأخطاء الكمية، تشير المسافة إلى عدد الأخطاء التي يجب أن تحدث في وقت واحد لكسر النظام. وأظهرت عمليات المحاكاة أن تصميم السلسلة الخطية الهجين ضاعف مسافة الحماية للجزء الأكثر حرجًا من العملية مقارنة باتصال الخط المستقيم القياسي. وبينما قدم الاتصال القياسي مسافة حماية تبلغ حوالي نصف حجم الكود، وسعت الطريقة الجديدة هذه المسافة لتصل إلى كامل الحجم تقريبًا، بل وتجاوزته.

ومع ذلك، فإن ميزة هذا التصميم الجديد تعتمد بشكل كبير على جودة المعالجات المحلية. فقد أجرى الفريق عمليات محاكاة مع مستويات مختلفة من الضجيج لمعرفة أين تبرز ميزة الطريقة الجديدة. فعندما كانت المعالجات المحلية تعاني من معدل خطأ متوسط، كانت فوائد مسافة الحماية الأطول مخفية إلى حد كبير بسبب الضجيج المحلي. وفي هذه الظروف، كان أداء النظام مشابهًا للطرق القديمة. ولكن مع خفض الباحثين لمعدل الخطأ المحلي إلى مستوى منخفض جدًا، أصبحت ميزة التصميم الهجين واضحة. فقد انخفض معدل الخطأ للطريقة الجديدة بشكل أسرع بكثير من الطرق القياسية مع تحسن جودة الاتصال. وهذا يشير إلى أن البنية الهجينة مصممة خصيصًا لمستقبل تكون فيه المعالجات المحلية موثوقة للغاية، بينما تظل روابط الشبكة صاخبة (مليئة بالضجيج).

كما استكشفت الدراسة ما يحدث عندما تكون حالات الموارد المستخدمة للاتصال أصغر أو "مبتورة" (truncated). في سيناريو واقعي، قد يكون توليد سلاسل ضخمة من الجسيمات المتشابكة أمرًا صعبًا للغاية، لذا اختبر الباحثون سلاسل أقصر. ووجدوا أنه بينما يؤدي تقصير السلاسل إلى خفض الحد الأقصى لمعدل الفقد الذي يمكن تحمله، إلا أنه لم يقلل من مسافة الحماية. وهذا يعني أنه حتى مع موارد أصغر وأكثر قابلية للإدارة، يحتفظ النظام بميزته الهيكلية المتمثلة في منطقة حماية أوسع، طالما ظل معدل الفقد تحت حد معين. على سبيل المثال، مع سلاسل تحتوي على ثمانية جسيمات، استطاع النظام تحمل معدل فقد قدره 38 بالمائة تقريبًا، ومع سلاسل مكونة من خمسة جسيمات، بلغ المعدل حوالي 32 بالمائة.

ولجعل هذه النتائج ذات صلة بالأجهزة الفعلية، قام الفريق بتحويل معدلات الفقد النظرية إلى عتبات فقد فوتونات فيزيائية. فقد أخذوا في الاعتبار حقيقة أن عملية دمج فاشلة في الأنظمة البصرية يمكن أحيانًا تعزيزها عن طريق إضافة فوتونات إضافية لزيادة فرصة النجاح. وأظهرت حساباتهم أنه مع المستوى المناسب من التعزيز، يمكن للبروتوكولات الهجينة الجديدة تحمل معدلات فقد فوتونات فيزيائية تقترب من 18 بالمائ-ة في أفضل السيناريوهات، وحوالي 9 بالمائة للنسخ المبتورة. ويمثل هذا تحسنًا كبيرًا مقارنة بالتقديرات السابقة للحوسبة الكمية الموزعة، والتي كانت غالبًا ما تعاني من قدرة تحمل أقل بكثير للفقد.

كما فحص الباحثون كيفية حماية أنواع مختلفة من المعلومات. للمعلومات الكمية جانبان رئيسيان، يُطلق عليهما غالبًا "الملاحظة المدمجة" (merge observable) و"الملاحظة المتعامدة" (perpendicular observable). وقد حسن التصميم الهجين الجديد بشكل كبير الحماية للملاحظة المدمجة، مما ضاعف هامش الأمان فعليًا. ومع ذلك، بالنسبة للملاحظة المتعامدة، لا يزال نمط الاتصال "المتعرج" (zig-zag) القياسي المستخدم في التصاميم القديمة يوفر أفضل حماية. ويشير هذا إلى أنه بينما تعد الطريقة الهجينة الجديدة خطوة كبيرة للأمام، إلا أنها لا تحل كل جوانب المشكلة بشكل مثالي بعد. ويقترح الفريق أن العمل المستقبلي يمكن أن يركز على تخصيص أنماط الفشل للروابط القائمة على الضوء لخلق حماية أكثر توازنًا لكلا النوعين من المعلومات.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل مخططًا لكيفية ربط الحواسيب الكمية في المستقبل. فهو يثبت أنه من خلال دمج نقاط قوة المعالجات ذات الحالة الصلبة مع الطبيعة المقاومة للفقد للشبكات الفوتونية، من الممكن بناء نظام موزع أكثر مرونة بكثير من مجموع أجزائه. وتشير النتائج إلى أنه مع زيادة موثوقية المعالجات الكمية المحلية، ستنتقل العقبة إلى روابط الشبكة، وتوفر البروتوكولات الهجينة الموصوفة هنا طريقة للتغلب على تلك العقبة. وتؤكد عمليات المحاكاة أنه مع التصميم الصحيح، يمكن للشبكة الكمية أن تنجو من فقدان نصف الفوتونات الرابطة، مما يفتح مسارًا واقعيًا نحو توسيع نطاق الحواسيب الكمية للوصول إلى الأحجام الضخمة المطلوبة للتطبيقات العملية.