يتقدم الحوسبة الكمومية نحو أنظمة تُسمى متسامحة مع الأخطاء، قادرة على تصحيح أخطائها الخاصة، ويظل تقليل هذه الأخطاء تحدياً مركزياً. في أكتوبر، أعلنت كل من جوجل وإنفيديا عن تقدمات حول تقنية توليد الحالة السحرية، التي تهدف إلى إنتاج الحالات اللازمة للحسابات الكمومية الشاملة بكفاءة أكبر.
الكيوبتات، وهي الوحدات الأساسية للحوسبة الكمومية، هشة للغاية: يمكن أن تفقد تماسكها، والنظام الذي يرتكب أخطاءً كثيرة ليس مفيداً. لذلك، يخلق المزودون كيوبتات منطقية من العديد من الكيوبتات المادية، قادرة على اكتشاف وتصحيح الأخطاء دون مقاطعة الحالة الكمومية. لكن كيوبتاً منطقياً واحداً قد يتطلب عدة آلاف من الكيوبتات المادية، مما يعقد عملية التوسع.
يجب على الحاسوب الكمومي الشامل أن يجمع بين بوابات كليفورد، مثل بوابات S وCNOT، وبوابات غير كليفورد، مثل بوابات T. معظم رموز تصحيح الأخطاء تعرف كيفية التعامل مع الأولى، لكن ليس الثانية. الحالات السحرية، التي قدمها باحثون في عام 2004، لا غنى عنها لهذه الحسابات، لكنها هشة، ويصعب إنتاجها بدقة عالية، ولا يمكن إعادة استخدامها.
للتعويض، تقوم عملية تقطير الحالات السحرية بتحويل العديد من الحالات المزعجة، أي غير الدقيقة، إلى عدد أقل من الحالات عالية الدقة. ومع ذلك، يمكن لهذه العملية أن تستخدم ما يصل إلى 95٪ من قدرة النظام الكمومي، مما يخلق اختناقاً. في عام 2024، قدم باحثون من جوجل تقنية توليد الحالة السحرية: بدلاً من إنتاج عدد كبير من الحالات المزعجة ثم التخلص من جزء كبير منها، يتم وضع حالة مزعجة في منطقة صغيرة من الرقاقة وإجراء قياسات تكشف الأخطاء وتزيل المحاولات المعيبة، حتى يتم الحصول على حالة بمعدل خطأ أقل.
تجربة على الرقاقة
في 15 أكتوبر، أعلنت جوجل وإنفيديا عن مشاريع تزعم أنها تدفع تطور هذه التقنية بشكل كبير. يبلغ باحثو جوجل كوانتوم إيه آي عن أول تنفيذ مادي للطريقة، تم تنفيذه على الرقاقة فائقة التوصيل Willow. وفقاً للشركة، سمحت التجربة بتقليل الأخطاء 40 مرة مقارنة بالحالات غير المولدة، والحصول على T-states بلغت دقتها المنطقية 99.99٪.
في أقل من أسبوع، أعلن باحثون من إنفيديا أنهم أجروا محاكاة لـ104 كيوبت على Jupiter، أول حاسوب فائق أوروبي من فئة إكساسكيل، مستضاف في مركز يوليش للحوسبة الفائقة في ألمانيا، ومجهز برقائق إنفيديا GH200 الفائقة. وفقاً لإنفيديا، تستخدم الطريقة 90٪ كيوبتات أقل من المناهج الأخرى.
وصف سام ستانويك، مدير المنتج الكمومي في إنفيديا، أعمال الشركتين بأنها خطوة حاسمة نحو الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء. فيما يتعلق بجوجل، قال: « هذا مكمل لأعمال جوجل. ما فعلته جوجل هو تجربة صغيرة النطاق على الأجهزة. كان ذلك دليلاً على المفهوم يظهر أن توليد الحالة السحرية يعمل بالفعل على أجهزة حقيقية. »
بعد عامين من العمل لنقل الطريقة من النظرية إلى التطبيق، وصف باحثو جوجل نتائجهم في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Science. وهم يعترفون بأن عليهم إثبات التقنية على نطاق أوسع لجعلها واقعية في نظام كمومي عملي، بينما يقدرون أن « هذا الإنجاز يحول فكرة نظرية رئيسية إلى واقع مثبت تجريبياً ».
المحاكاة للتصميم
وفقاً لسام ستانويك، المحاكاة لا غنى عنها لتصميم الأجهزة والبرمجيات حول هذه المناهج. قال: « يجب محاكاتها بأكبر عمق ممكن، لفهم سلوكها وخاصة كيفية تعاملها مع الأخطاء ». كما ذكر أعمال أمازون ويب سيرفيسز وQuantum Elements، مع جامعة جنوب كاليفورنيا وجامعة هارفارد، الذين استخدموا أيضاً محاكاة لمعالجة تصحيح الأخطاء.
استخدمت إنفيديا منصتها الكمومية-الكلاسيكية CUDA-Q ومجموعة تطوير البرامج cuQuantum لنمذجة أخطاء الأجهزة، بما في ذلك الأخطاء المتماسكة والتسريبات. قال سام ستانويك: « هذه أخطاء منهجية صغيرة جداً في العمليات الكمومية، تتراكم خلال الحساب وتحد مما يمكن للحاسوب القيام به ». بدأ المشروع على نظام مجهز بـ GB200 NVL72 في مركز بوسطن للأبحاث الكمومية المتسارعة، قبل أن يتم توسيعه إلى Jupiter، حيث انتقلت الاختبارات من أربع وحدات معالجة رسومية إلى عدة مئات، ثم إلى 8,192 وحدة معالجة رسومية.
