Evaluating the performance of QEC primitives on quantum processors at large width and depth

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات مستعصية حالياً على الأجهزة الكلاسيكية، بدءاً من تصميم أدوية جديدة وصولاً إلى نمذجة الأنظمة المناخية المعقدة. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة هشة للغاية؛ فالبتات الكمومية، أو "الكيوبتات" (qubits)، التي تحمل المعلومات، تتأثر بسهولة بالحرارة والاهتزاز والضوضاء الكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى فقدان بياناتها بشكل فوري تقريباً. ولبناء حاسوب كمومي مفيد، يجب على العلماء تطوير وسيلة لحماية هذه المعلومات، وهي عملية تُعرف باسم "تصحيح الخطأ الكمومي". تتضمن هذه الطريقة التحقق باستمرار من الكيوبتات بحثاً عن الأخطاء دون تدمير الحالة الكمومية الدقيقة، وهي مهمة تتطلب تسلسلاً معقداً من العمليات: قياس بعض الكيوبتات لمعرفة ما إذا كان قد حدث خطأ، ثم إعادة ضبطها، ومن ثم استخدام تلك المعلومات لإصلاح الكيوبتات الأخرى في الوقت الفعلي. إن تنفيذ هذه الخطوات بشكل موثوق أمر صعب، وحتى الآن، كان اختبارها بطيئاً ومكلفاً ويتطلب كميات هائلة من وقت الحوسبة.

قدم فريق من الباحثين طريقة جديدة وفعالة لاختبار مدى قدرة المعالجات الكمومية المختلفة على التعامل مع خطوات تصحيح الخطأ الحرجة هذه. فبدلاً من تشغيل تجارب تصحيح خطأ كاملة وثقيلة الموارد قد تستغرق أياماً أو تفشل في تقديم نتائج واضحة، طور الفريق اختصاراً باستخدام نوع محدد من الخوارزميات يسمى "خوارزمية التحسين التقريبي الكمومي" (Quantum Approximate Optimization Algorithm). لقد قاموا بتكييف هذه الخوارزمية بحيث يحاكي هيكلها نمط الاتصالات والقياسات المستخدم في تصحيح الخطأ بدقة، ولكن مع لمسة مختلفة: تنتج الخوارزمية إشارة واضحة وقابلة للقياس تضعف كلما تراكمت الأخطاء. ومن خلال تشغيل هذه الخوارضة المعدلة على معالجات كمومية متنوعة، استطاع الباحثون تقدير مدى تدهور الأجهزة بسرعة عندما تُجبر على أداء المهمة الصعبة المتمثلة في قياس وإعادة ضبط الكيوبتات في منتصف الدورة. يتيح هذا النهج للعلماء مقارنة أجيال وبنيات الأجهزة المختلفة دون الحاجة إلى الموارد الهائلة المطلوبة لعرض كامل لتصحيح الخطأ.

اختبر الباحثون طريقتهم على عشرة معالجات كمومية مختلفة من ثلاثة مصنعين رئيسيين: IBM وIQM وQuantinuum. بدأوا باختبار بسيط يتضمن سلسلة من الكيوبتات لمعرفة كيف يتغير الأداء مع إضافة المزيد من القياسات في منتصف الدورة. ووجدوا أنه في بعض الأجهزة، ظلت الإشارة قوية حتى مع نمو السلسلة، بينما في أجهزة أخرى، انخفض الأداء بشكل حاد. ومن خلال ترجمة تلاشي إشارة الخوارزمية إلى رقم واحد يمثل معدل الخطأ الفعال، تمكنوا من مقارنة التكلفة المباشرة لاستخدام القياسات في منتصف الدورة عبر أجهزة مختلفة. فعلى سبيل المثال، في أجهزة IBM، كانت التكلفة الإضافية لإجراء هذه القياسات أعلى بكثير من تكلفة العمليات القياسية، بينما في أجهزة Quantinuum ذات الأيونات المحاصرة، كانت التكلفة الإضافية أقل بكثير ومقاربة للأخطاء الموجودة في بوابات الكيوبت الثنائية القياسية.

ذهبت الدراسة إلى أبعد من ذلك باختبار الطريقة ضد أكواد تصحيح الخطأ الفعلية، بما في ذلك "الكود السطحي" (surface code) و"الكود الملون" (color code)، وهما من المرشحين الرائدين لبناء حواسيب كمومية مقاومة للأخطاء. أجرى الفريق هذه الاختبارات على أجهزة تحتوي على ما يصل إلى 91 كيوبت بيانات، وهو مقيء يصعب اختباره للغاية بالأساليب التقليدية. واكتشفوا أن المعيار الجديد يمكنه التمييز بين أجيال الأجهزة المختلفة وحتى تحديد الأجزاء التي تؤدي أداءً أفضل من غيرها داخل الشريحة الواحدة. وفي خطوة تحقق حاسمة، قارنوا نتائج هذا المعيار السريع مع نتائج تجربة ذاكرة تصحيح خطأ كاملة وبطيئة تم تشغيلها على نفس معالج IBM. ووجدوا ارتباطاً قوياً: فالمناطق في الشريحة التي أدت أداءً جيداً في المعيار السريع أظهرت أيضاً أدنى معدلات الخطأ في تجربة الذاكرة الكاملة. وهذا يشير إلى أن الطريقة الجديدة يمكنها التنبؤ بدقة بمدى قدرة المعالج الكمومي على التعامل مع المتطلبات المعقدة لتصحيح الخطأ.

حدد الباحثون أيضاً عدد المرات التي يحتاجون فيها لتشغيل هذه الاختبارات للحصول على إجابة موثوقة. ووجدوا أنه بالنسبة لمعظم الأجهزة، يكفي تشغيل الاختبار بضع عشرات إلى بضع مئات من المرات لمعرفة ما إذا كانت الآلة لا تزال تحافظ على الإشارة الخوارزمية أم أنها انهارت إلى ضوضاء عشوائية. ويمثل هذا انخفاضاً هائلاً مقارنة بآلاف أو ملايين المرات التي تتطلبها الاختبارات التقليدية غالباً. وتشير الدراسة إلى أنه مع تحسن الأجهزة وانخفاض معدلات الخطأ، سيتعين تشغيل الاختبارات بعمق أكبر ومع طبقات أكثر لرصد الاختلافات، لكن الطريقة تظل فعالة. ومن خلال توفير وسيلة عملية ومنخفضة التكلفة لتقييم جاهزية الأجهزة الكمومية لتصحيح الخطأ، يقدم هذا العمل أداة حيوية لتتبع التقدم في هذا المجال؛ فهو يسمح للباحثين والمؤسسات المستقلة بتقييم ما إذا كانت المعالجات الكمومية الجديدة تتقدم حقاً نحو تحقيق القدرة على تحمل الأخطاء، دون الحاجة لانتظار اكتمال تجارب الذاكرة المنطقية الكاملة والمكلفة.