المعلوماتية > الحوسبة الكمومية

دارة لكشف وتصحيح الأخطاء الكمومية تلقائيا

كنا قد تحدثنا في مقال سابق عن كشف الأخطاء الكمومية وما أنجزه العلماء في جامعة Yale في هذا المجال وأن هدفهم التالي كان البحث عن طريقة لتصحيح الأخطاء

لكن مجموعة باحثين من جامعة كاليفورنيا سبقتهم إلى ذلك وهذا ما سنتحدث عنه في المقال التالي:

عندما يتمكن العلماء من تطوير حاسوبٍ كموميٍّ كامل، فإن عالم الحوسبة سيخضعُ لثورة من ناحية التطور والسرعة والكفاءة في استهلاك الطاقة، مِما سيجعل حتى أضخم آلاتِـنا التقليدية في وقتنا الحاضر تبدو كعربةٍ من العصر الحجري إذا ماقمنا بمقارنتها به!

لكن قبل أن يحدث ذلك، يتوجبُ على علماء فيزياء،كأولئك الموجودين في مخبر البروفيسور«جون مارتينيز» -في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا- أن يصمموا داراتٍ تستفيد من السرعة في الحساب التي قدمتها الكيوبتات، وتعوض قابليتها الشديدة للتعرض للأخطاء الناتجة عن تأثرها بالبيئة المحيطة.

فيما أسمَوْه علامةً بارزة وإنجازاً كبيراً، قام العلماء في مختبر «مارتينيز» بتطويرِ دارة كموميّة تقوم بالبحث عن الأخطاء تلقائياً وتمنعها للحفاظ على حالة الكيوبتات وإضفاء الموثوقية العالية المنشودة على النظام التي ستكون حجر الأساس لبناء حواسيب كمومية فائقة التوصيل على نطاق واسع.

ومن المعلوم أن إبقاء الكيوبتات خالية من الأخطاء أو مستقرة كفاية لإعطاء النتيجة ذاتها مراراً وتكراراً، هي واحدة من العقبات الأساسية التي تواجه العلماء في مجال الحوسبة الكمومية.

يقول «جوليان كيلي»- وهو خريج وباحث وكاتب مساعد في ورقة بحثية نشرت في مجلة "Nature"-:

" واحدة من أكبر التحديات في الحوسبة الكمومية هي أن الكيوبتات معيبة بطبيعتها، فإذا قمنا بتخزين بعض المعلومات فيها فإنها ستقوم بنسيانها!"

خلافاً للحوسبة التقليدية، حيث توجدُ الـbits في الحاسوب بحالة من حالتين (نعم \ لا ) أو (صح\خطأ)، فإن الكيوبتات يمكن أن توجد بأي حالة أو بكل الحالات في الوقت نفسه في أبعاد مختلفة. هذه الخاصية تدعى: التموضع الخارق (SuperPositioning)، والذي يُعطي للحواسيب الكمومية كماً هائلاً من القوة الحسابية الخاصة بها، لكنها أيضاً الخاصية التي تجعل الكيوبتات عُرضة للتقلب ( تغيير الحالة) خصوصاً في بيئة غير مستقرة، وبالتالي يصعب التعامل معها.

يقول «كيلي»: " سيكون من الصعب معالجة المعلومات إذا اختفت".

إلا أنَّه تم حلُّ هذه العقبة من قِبل الباحث «رامي باريندس» والعالم «أوستن فاولر» وآخرين في مجموعة مارتينيز.

فقال كيلي: " تتضمن معالجة الخطأ إنشاء نظام تقوم فيه الكيوبتات بالعمل معاً للحفاظ على المعلومات. وللقيام بذلك فإن تخزين المعلومات يتم بين عدة كيوبتات". وأضاف: " الفكرة هي أن نقوم ببناء هذا النظام من تسع كيوبتات يمكنها البحث عن الأخطاء".

وأوضح قائلاً أن الكيوبتاتِ في الشبكة ستكونُ مسؤولة عن حماية سلامة المعلومات المحفوظة في الكيوبتات المجاورة لها موضحًا أنه في هذا النظام للكشف عن الأخطاء وتصحيحها بشكل تكراري، ستَـتِمُّ حماية المعلومات المناسبة وتخزينها لمدة أطول من أي مدة يمكن لكيوبت مفرد أن يخزنها.

يقول «فاولر»: " هذه المرة الأولى التي يتمُّ فيها بناءُ جهاز كمومي قادر على تصحيح أخطائه بنفسه".

لكن النوعَ من الحسابات المعقدة التي يتصور الباحثون من أجلها حاسوب كمومي فعلي، ستحتاجُ إلى ما يقارب مئة مليون كيوب، وقبل ذلك، سيكونُ من الضروريإايجاد نظام قوي للاختبار الذاتي نظام لمنع الأخطاء.

مفتاحُ نظام كشف وتصحيح الأخطاء الكمومي هو نظامٌ قام« فاولر» بتطويره، ويسمى "surface code". يستخدمُ هذا النظام معلومات التكافؤ - قياس التغير من البيانات الأصلية (إن وجد)- بدلاً من تكرار المعلومات الأصلية والتي تُعد جزءاً من عملية كشف الخطأ في الحساب الكلاسيكي.

وبهذه الطريقة، فإن المعلومات الأصلية الفعلية التي يتم الحفاظ عليها في الكيوبتات تبقى غير مراقبة، لماذا؟ بسبب الفيزياء الكمومية،

حيث يقولُ « باريندس» مفسراً: " لا يمكنك قياس حالة كمومية وتوقع أن تبقى كمومية". وقال أن فعل القياس يثبِّـتُ الكيوبت على حالة واحدة وبالتالي يفقد قوته المتمثلة بخاصية "SuperPositioning"، لذلك - فيما يشبه لغز السودوكو- تُؤخذ قيم التكافؤ لـبتات البيانات الموجودة في مصفوفة كيوبتات بواسطة كيوبتات القياس المجاورة والتي تقومُ بشكل أساسي بقياس المعلومات في كيوبتات البيانات وذلك بالقياس حولها.

يقول «كيلي» موضحاً: " أي أنك تقوم بسحب كمية كافية من المعلومات لكشف الأخطاء، لكن ليست كافية لتدمير الخاصية الكمومية".

(كنا قد قدمنا مقالاً سابقاً يتحدث عن أن علماء من جامعة Yale قاموا بإيجاد آلية لتعقب الأخطاء الكمومية اثناء حصولها وهي طريقة مشابهة لطريقة فاولر بالاعتماد على التكافؤ للاطلاع على المقال السابق هنا).

هذا المشروع يمثلُ اجتماعاً بين الأفضل في العلم في المجال المادي والنظري في الحساب الكمومي- الأحدث في استقرار الكيوبتات وتطورات في الخوارزميات التي تقف خلق منطق الحساب الكمومي.

يقول «بارتيندس»: " إنها نقطةُ تحول بارزة، لأنها تعني أن أفكار الناس التي امتلكوها منذ عقود هي قابلة للتنفيذ في نظام حقيقي الآن".

أثبت هذا النظام لتصحيح الأخطاء الكمومية بالتحديد قدرتَه على الحماية من أخطاء قلب البت (bit-flip)، لكن الباحثين اليوم يتطلعون إلى تصحيح خطأ يُـدعى "Phase Flip" أي (قلب الطور)، كذلك إلى تشغيل دورات تصحيح الأخطاء لفترات أطول لمعرفة السلوكيات التي قد تنشأ.

دخل «مارتينيز» وكبار الأعضاء في فريق بحثه في شراكة مع شركة Google منذ أن تم إجراء هذا البحث. ومن المعروف أن Google كانت قد أعلنت أنها تسعى لصنعِ جهاز كمومي خاص بها، وأنها تتعاون مع عدد من العلماء في هذا المجال. للاطلاع على دور Google في المجال الكمومي يمكن مراجعة المقال التالي:

هنا

يوم بعد يوم عم يقربوا العلماء والباحثين من الوصول للحاسوب الكمومي الكامل… برأيكن مطولين لسا لنشوف جهاز حاسوب كمومي متكامل ؟وشو رح يكون تأثيره بالمجال العلمي؟

===========================