تراشه Willow گوگل به تصحیح خطای کوانتومی دست یافت. این واقعاً به چه معناست؟
تراشه کوانتومی Willow گوگل کاری را انجام داده است که فیزیکدانان دههها به دنبال آن بودند: با بزرگتر شدن سیستم، خطاها کاهش یافتند. این وارونگی — یعنی تعداد بیشتر کیوبیتها به معنای خطاهای کمتر — مسئله اصلی حلنشده محاسبات کوانتومی است و برای اولین بار در مقیاس قابلتوجهی به نمایش گذاشته شده است.
چرا رایانههای کوانتومی خراب میشوند
یک بیت کلاسیک همیشه ۰ یا ۱ است. یک کیوبیت میتواند همزمان هر دو باشد — برهمنهادی از حالتها که به رایانههای کوانتومی اجازه میدهد فضاهای راهحل گسترده را به صورت موازی کاوش کنند. این به نظر یک ابرقدرت میرسد، و واقعاً هم هست. همچنین دلیلی است که ساخت رایانههای کوانتومی بسیار دشوار است.
کیوبیتها بهطور فوقالعادهای شکننده هستند. هرگونه برهمکنش با محیط — یک میدان الکترومغناطیسی سرگردان، یک نوسان دمایی کوچک، حتی یک پرتو کیهانی — میتواند باعث وازیدگی شود: کیوبیت حالت کوانتومی خود را «فراموش» کرده و به نویز کلاسیک معمولی فرو میریزد. کیوبیتهای فیزیکی فعلی انسجام را برای میکروثانیه تا میلیثانیه حفظ میکنند. این مدت زمان زیادی برای اجرای یک محاسبه نیست.
بدتر این که هر عملیاتی که روی یک کیوبیت انجام میدهید — هر گیت منطقی در مدار شما — خطاهایی ایجاد میکند. اینها باگهای نرمافزاری نیستند که بتوانید وصله کنید. بلکه نقصهای فیزیکی هستند: پالسهای مایکروویو نادقیق، تداخل بین کیوبیتهای مجاور، نشت به حالتهای انرژی بالاتر. روی سختافزار امروزی، نرخ خطا حدود ۰٫۱ تا ۱٪ به ازای هر گیت است. مداری با هزاران گیت اجرا کنید و در نویز غرق میشوید.
به همین دلیل است که رایانههای کوانتومی هنوز هیچ مسئلهای را که به صورت کلاسیک غیرقابلحل است، به روشی عملاً مفید حل نکردهاند. مدارهای مورد نیاز برای مسائل واقعی — شبیهسازی مولکولهای دارویی، شکستن رمزنگاری، بهینهسازی لجستیک — به هزاران عملیات تمیز و قابلاعتماد نیاز دارند. ماشینهای امروزی قادر به پشتیبانی از آن نیستند.
کدهای سطحی: پنهان کردن خطاها بدون نگاه کردن
راهحلی که فیزیکدانان کوانتومی مدتها پیشنهاد کردهاند تصحیح خطای کوانتومی است. ایده این است که یک کیوبیت منطقی واحد را در میان بسیاری از کیوبیتهای فیزیکی رمزگذاری کنیم، به گونهای که خطاها بدون اندازهگیری مستقیم حالت کیوبیت منطقی — زیرا اندازهگیری مستقیم برهمنهادی را از بین میبرد — قابل تشخیص و تصحیح باشند.
بالغترین روش کد سطحی است. در یک کد سطحی، کیوبیتهای فیزیکی در یک شبکه دوبعدی چیده میشوند. برخی «کیوبیتهای داده» هستند که حالت منطقی را نگه میدارند؛ برخی دیگر «کیوبیتهای کمکی» هستند که اندازهگیریهای توازن پیوسته روی همسایگان خود انجام میدهند. این اندازهگیریها تشخیص میدهند که آیا خطایی رخ داده است — یک وارونگی بیت، یک وارونگی فاز — و مکان آن را آشکار میکنند، بدون این که حالت منطقی زیرین فاش شود. سپس نرمافزار در پسپردازش کلاسیک تصحیحات را اعمال میکند.
کدهای سطحی جذاب هستند زیرا نرخ خطای فیزیکی نسبتاً بالایی را تحمل میکنند و فقط به برهمکنشهای نزدیکترین همسایه روی تراشه نیاز دارند. نکته منفی: به تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی نیاز دارید. تخمینها برای یک کیوبیت منطقی عملی مقاوم در برابر خطا از صدها تا هزاران کیوبیت فیزیکی متغیر است، بسته به نرخ خطای هدف.
آستانه: یک عدد بحرانی
در اینجا مفهوم کلیدی است که نتیجه Willow را قابلتوجه میکند. کدهای سطحی تنها در صورتی کار میکنند که نرخ خطای کیوبیت فیزیکی پایینتر از یک مقدار بحرانی به نام آستانه تحمل خطا باشد — تقریباً ۱٪ به ازای هر عملیات برای کدهای سطحی.
بالای آستانه، افزودن کیوبیتهای فیزیکی بیشتر وضعیت را بدتر میکند. سربار تصحیح خطا عملیات بیشتری را معرفی میکند که خطاهای بیشتری ایجاد میکنند و تصحیح را تحت تأثیر قرار میدهند. شما سریعتر میدوید تا در جا بمانید و بازنده میشوید.
پایینتر از آستانه، ریاضیات وارونه میشود. افزودن کیوبیتهای فیزیکی بیشتر به ازای هر کیوبیت منطقی — افزایش چیزی که فاصله کد نامیده میشود — نرخ خطای منطقی را به صورت نمایی سرکوب میکند. هر بار که فاصله کد را افزایش میدهید، خطاها نادرتر میشوند. این رژیمی است که تصحیح خطا واقعاً کار میکند.
هر آزمایش جدی تصحیح خطای کوانتومی هدفش عبور از این آستانه بوده است. و تراشه Willow گوگل که در دسامبر ۲۰۲۴ اعلام شد، از آن عبور کرد — و نشان داد که مقیاسسازی واقعاً کمک میکند.
Willow دقیقاً چه کاری انجام داد
Willow یک تراشه ابررسانای ۱۰۵ کیوبیتی است که با دقت ساخت بهطور قابلتوجهی بهبودیافته نسبت به پردازنده قبلی Sycamore گوگل ساخته شده است. نتیجه کلیدی: با افزایش مقیاس کد سطحی از فاصله-۳ (۱۷ کیوبیت) به فاصله-۵ (۴۹ کیوبیت) به فاصله-۷ (۱۰۱ کیوبیت)، نرخ خطای منطقی در هر مرحله به صورت نمایی کاهش یافت. هر بار که کیوبیتهای فیزیکی بیشتری اضافه میکردند، کیوبیت منطقی تمیزتر میشد.
این اولین نمایش در مقیاس معنادار است که تصحیح خطای کوانتومی همان کاری را انجام میدهد که نظریه پیشبینی کرده بود. رفتار زیرآستانهای قبلاً در آزمایشهای کوچک نشان داده شده بود، اما هرگز با این تعداد کیوبیت و این منحنی مقیاسسازی تمیز.
گوگل همچنین یک معیار نمونهگیری مدار تصادفی را روی Willow اجرا کرد — همان دسته از وظایف که برای ادعای برتری کوانتومی در سال ۲۰۱۹ استفاده شد. نتیجه چشمگیر بود: Willow این معیار را در کمتر از پنج دقیقه تکمیل کرد. گوگل تخمین میزند که همین محاسبه حدود ۱۰ سپتیلیون سال (۱۰۲۵ سال) برای یک ابررایانه کلاسیک زمان میبرد.
این عدد نیاز به زمینهسازی صادقانه دارد. نمونهگیری مدار تصادفی یک محاسبه مفید نیست. این کار به طور خاص طوری طراحی شده است که برای رایانههای کلاسیک سخت و برای رایانههای کوانتومی آسان باشد — یک معیار است، نه یک کاربرد. هیچکس نیازی به نمونهگیری از مدارهای کوانتومی تصادفی ندارد. این نتیجه قابلیت سختافزاری را نشان میدهد، نه برتری عملی کوانتومی.
شکاف بین نقطه عطف و کاربرد
اینجا جایی است که هیاهو با واقعیت روبرو میشود. نمایش تصحیح خطای زیرآستانهای با ۱۰۵ کیوبیت یک نقطه عطف واقعی در فیزیک است. این تأیید میکند که پایه نظری محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا از نظر تجربی معتبر است. این بسیار مهم است.
اما فاصله بین این نقطه عطف و یک رایانه کوانتومی که مسائل واقعی را حل میکند، بسیار زیاد است. در نظر بگیرید که محاسبات مقاوم در برابر خطا چه چیزی نیاز دارد:
- شکستن رمزگذاری RSA-2048 (الگوریتم شور) به حدود ۴٬۰۰۰ کیوبیت منطقی نیاز دارد — که هر کدام احتمالاً با ۱٬۰۰۰ کیوبیت فیزیکی پشتیبانی میشوند — در مجموع حدود ۴ میلیون کیوبیت فیزیکی با نرخ خطای بسیار پایینتر از آنچه Willow امروز به دست میآورد.
- شبیهسازی یک مولکول دارویی مفید (فراتر از آنچه رایانههای کلاسیک مدیریت میکنند) احتمالاً به صدها کیوبیت منطقی با کیفیت بالا نیاز دارد.
- حتی خوشبینانهترین تخمینها، محاسبات کوانتومی عملی مقاوم در برابر خطا را یک دهه دور میدانند.
Willow دارای ۱۰۵ کیوبیت فیزیکی است که تصحیح خطا را نشان میدهد. شکافهای مرتبه بزرگی — از صدها تا میلیونها کیوبیت، از نرخ خطای امروزی تا آستانههای تحمل خطا برای مدارهای مفید — هنوز باید پر شوند.
رقابت گستردهتر
گوگل تنها نیست. نقشه راه کوانتومی IBM هدف ۱۰۰٬۰۰۰+ کیوبیت تا سال ۲۰۳۳ را دارد، با تمرکز معماری بر سیستمهای مدولار متصل شده از طریق پیوندهای کوانتومی. IBM همچنین پیشرفت در تصحیح خطا را با استفاده از یک خانواده کد متفاوت به نام کدهای heavy-hex که برای اتصال کیوبیتهایشان بهینه شده است، نشان داده است.
مایکروسافت روی یک کیوبیت فیزیکی اساساً متفاوت شرط بسته است: کیوبیتهای توپولوژیک مبتنی بر شبهذرات عجیبی به نام فرمیونهای مایورانا. اگر بتوان آنها را محقق کرد، کیوبیتهای توپولوژیک ذاتاً نرخ خطای پایینتری خواهند داشت — که به طور بالقوه تصحیح خطا را از نظر سربار کیوبیت فیزیکی بسیار ارزانتر میکند. نتایج مایکروسافت در سال ۲۰۲۵ با تراشه Majorana 1 سیگنالهای اولیه امیدوارکنندهای نشان داد، اگرچه این رویکرد همچنان از سیستمهای ابررسانا کمتر توسعه یافته است.
IonQ، Quantinuum و دیگران در حال دنبال کردن کیوبیتهای یون به دام افتاده هستند که وفاداری گیت بالاتری نسبت به کیوبیتهای ابررسانا دارند اما کندتر هستند و مقیاسپذیری دشوارتری دارند. پردازندههای سری H Quantinuum به برخی از بالاترین وفاداریهای گیت دوکیوبیتی ثبتشده دست یافتهاند.
هر رویکرد اصلی یک مسیر قابلقبول دارد. هیچکدام به خط پایان نرسیده است.
این واقعاً به چه معناست
نتیجه زیرآستانهای Willow به سؤالی پاسخ میدهد که ۳۰ سال است محاسبات کوانتومی را تحت تأثیر قرار داده است: آیا تصحیح خطای کوانتومی واقعاً در یک سیستم فیزیکی در مقیاس کار میکند، یا واقعیت مهندسی همیشه وارد عمل شده و ریاضیات را میشکند؟ پاسخ اکنون به صورت تجربی بله است — کار میکند.
این مسئله را از «آیا میتوانیم این کار را در اصل انجام دهیم» به «چگونه این را چهار مرتبه بزرگی مقیاسسازی کنیم» تغییر میدهد. دومی یک مسئله مهندسی است، نه یک مسئله فیزیک. مسائل مهندسی سخت، پرهزینه و کند هستند — اما با تکرار، سرمایهگذاری و زمان حل میشوند. مسائل فیزیک ممکن است غیرقابلحل باشند.
Willow محاسبات کوانتومی را قریبالوقوع نکرد. آن را قابلباور کرد. دهه پیش رو مشخص خواهد کرد که آیا مهندسی میتواند به فیزیکی که تازه پرونده خود را ثابت کرده است برسد.