اصلاح خطای کوانتومی، امیدی برای محاسبات کوانتومی قابل اطمینان
تیمی از محققان در IBM آنچه را که می تواند پیشرفت قابل توجهی در تصحیح خطای کوانتومی باشد، معرفی کرده اند. در مطالعه ای که روی سرور ArXiv ارسال شده است، تیمی که توسط دانشمندان کوانتومی IBM هدایت می شد، در مورد پروتکلی گزارش دادند که به یک چالش مهم در محاسبات کوانتومی، یعنی حساسیت کیوبیت ها به خطاها را با ایجاد یک آستانه عملی برای تصحیح خطای موثر پاسخ می دهد. یافته کلیدی این مطالعه دستیابی به آستانه خطای 0.8 درصد برای تصحیح خطای کوانتومی است. طبق این مقاله، این آستانه بسیار مهم است، زیرا حداکثر نرخ خطابی را که یک سیستم کوانتومی ضمن حفظ دقت در محاسبات خود میتواند تحمل کند را تعیین می کند. این دستاورد، پروتکل را با کدهای سطحی (surface code)، که توانسته اند بالاترین آستانه خطا را برای نزدیک به دو دهه حفظ کنند، همتراز می کند. این پروتکل حول خانواده ای از کدهای کنترل برابری با چگالی کم (Low-Density Parity-Check – LDPC) طراحی شده است که به دلیل نرخ کدینگ بالای خود شناخته شده است. این یک فرآیند کامل برای پیاده سازی حافظه مقاوم به خطا است که شامل اندازه گیری چرخه های سندرم در کدینگ می باشد. این چرخه‌ها به کیوبیت‌های کمکی( ancillary qubits) و ساختار مدار خاصی متشکل از گیت‌های NOT کنترل‌شده (CNOT) با نزدیک‌ترین همسایه نیاز دارند. از نظر فنی، اتصال بین کیوبیت ها به صورت یک گراف درجه 6 بوده که از دو زیرگراف مسطح با لبه جدا (edge-disjoint planar subgraphs)از هم تشکیل شده است. یک نمایش عملی نشان می دهد که این پروتکل می تواند 12 کیوبیت منطقی را در 10 میلیون چرخه سندرم حفظ کند و تنها از 288 کیوبیت فیزیکی با نرخ خطای 0.1٪ استفاده کند. در حالیکه در طرف مقابل، دستیابی به نرخ خطای مشابه با استفاده از کد سطحی به بیش از 4000 کیوبیت فیزیکی نیاز دارد. پیامدهای عملی این کار به ویژه برای پردازنده های کوانتومی کوتاه مدت قابل توجه است. کارایی و سازگاری پروتکل با سخت‌افزار کوانتومی موجود، مسیری بالقوه برای پر کردن شکاف بین قابلیت‌های محاسباتی کوانتومی فعلی و هدف نهایی حافظه کوانتومی مقاوم به خطا ارائه می‌دهد. طبق نوشته آنها: «یافته‌های ما نمایش‌هایی از حافظه کوانتومی تحمل‌پذیر خطای کم سربار را در دسترس پردازنده‌های کوانتومی کوتاه‌مدت به ارمغان می‌آورد». علاوه بر ارائه پروتکل، محققان دیدگاه جدیدی را در مورد حافظه کوانتومی مقاوم به خطا(fault-tolerant quantum memory) ارائه می دهند. این رویکرد با تمرکز بر به حداقل رساندن سربار کیوبیت، روش‌های موجود، مانند طرح‌های مبتنی بر الحاق(concatenation-based schemes) را تکمیل می‌کند. در حالی که این طرح‌ها کدهای LDPC را با کد سطحی برای اصلاح بهتر خطا ترکیب می‌کنند، سربار کیوبیت قابل‌توجهی را معرفی می‌کنند که پروتکل مبتنی بر LDPC جدید پیشنهادی قصد دارد آن را دور بزند. با این حال، این مطالعه چالش‌های خاصی را در اجرای پروتکل با سخت‌افزار کوانتومی موجود تأیید می‌کند. اینها شامل توسعه لایه دوم کم تلفات، کیوبیت هایی با قابلیت جفت شدن به هفت اتصال و ایجاد کوپلرهای دوربرد است. محققان با احتیاط نسبت به این چالش ها خوشبین هستند و راه حل های بالقوه ای مانند تنظیم تکنیک های بسته بندی و افزایش اتصال کیوبیت را پیشنهاد می کنند. این تیم شامل سرگئی براوی، اندرو دبلیو کراس، جی ام. گامبتا، دیمیتری ماسلوف، پاتریک رال و تئودور جی یودر هستند که همگی از IBM Quantum هستند.