گروهی از پژوهشگران در دانشگاه سیدنی موفق به ساخت یک دروازه منطقی کوانتومی شده‌اند که با استفاده از کد تصحیح خطای قدرتمند GKP تعداد کیوبیت‌های مورد نیاز را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. این دستاورد با درهم‌تنیدگی ارتعاشات کوانتومی درون یک اتم محقق شده و می‌تواند مسیر مقیاس‌پذیری رایانش کوانتومی را متحول کند.

به گزارش science daily، یکی از چالش‌های اساسی در توسعه رایانه‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس بروز خطا‌های ناخواسته در کیوبیت‌ها است. برای دستیابی به خروجی‌های پایدار و قابل اعتماد دانشمندان ناگزیرند کیوبیت‌ها را با روش‌های پیچیده رمزگذاری و تصحیح خطا ایمن‌سازی کنند. اما افزایش تعداد کیوبیت‌های منطقی همواره نیازمند رشد انفجاری در تعداد کیوبیت‌های فیزیکی است که این امر به یک کابوس مهندسی برای ساخت ماشین‌های کوانتومی بدل شده است.

اکنون برای نخستین‌بار پژوهشگران آزمایشگاه کنترل کوانتومی در موسسه نانو دانشگاه سیدنی موفق به نمایش نوعی دروازه منطقی کوانتومی شده‌اند که نیاز به تعداد زیادی کیوبیت فیزیکی را مرتفع می‌سازد. آنان این کار را با ساخت یک دروازه درهم‌تنیدگی بر پایه یک اتم منفرد و به کمک کد تصحیح خطای گاتسمن–کیتایف–پرسکیل (GKP) انجام داده‌اند؛ کدی که به سنگ روزتای محاسبات کوانتومی شهرت یافته است. این کد ارتعاشات پیوسته کوانتومی را به حالت‌های دیجیتالی مجزا ترجمه می‌کند و به این ترتیب شناسایی و رفع خطا‌ها را ساده‌تر کرده و راهی فشرده و کارآمد برای رمزگذاری کیوبیت‌های منطقی فراهم می‌سازد.

این پژوهش که ۲۱ اوت در نشریه Nature Physics منتشر شد، نشان می‌دهد چگونه ارتعاشات طبیعی یک یون محبوس یتربیوم می‌تواند برای ذخیره و پردازش کد‌های GKP مورد استفاده قرار گیرد.

به گفته تینگ‌ری تان، پژوهشگر ارشد و همکار Sydney Horizon Fellow تیم او توانسته است برای نخستین‌بار مجموعه‌ای جهانی از دروازه‌های منطقی برای کیوبیت‌های GKP را محقق سازد.

او تاکید کرد: ما با کنترل دقیق ارتعاشات هارمونیک یک یون محبوس توانستیم کیوبیت‌های GKP را به‌طور منفرد دستکاری کرده یا آنها را به صورت جفت درهم‌تنیده کنیم.

یکی از بخش‌های کلیدی این پژوهش استفاده از نرم‌افزار‌های کنترل کوانتومی توسعه‌یافته توسط شرکت Q-CTRL (استارت‌آپی منشعب از همین آزمایشگاه) بود که امکان طراحی دروازه‌های کوانتومی با کمترین اعوجاج را فراهم ساخت. این کار به تیم پژوهشی اجازه داد تا ساختار حساس کیوبیت‌های GKP را در جریان پردازش اطلاعات کوانتومی حفظ کنند.

واسیلی ماتسوس، نویسنده اول مقاله و دانشجوی دکتری فیزیک توضیح داد: ما عملاً توانستیم دو کیوبیت منطقی تصحیح‌پذیر خطا را در یک یون منفرد ذخیره کرده و میان آنها درهم‌تنیدگی ایجاد کنیم.

به بیان ساده او دو حالت ارتعاشی کوانتومی یک اتم را به عنوان کیوبیت درهم‌تنیده کرده و تنها با استفاده از یک اتم، یک دروازه منطقی کوانتومی ساخت؛ اقدامی که یک نقطه عطف در فناوری کوانتومی محسوب می‌شود.

این دستاورد نشان می‌دهد که می‌توان با سخت‌افزار به‌مراتب کمتر دروازه‌های منطقی کوانتومی را پیاده‌سازی کرد و این امر گامی اساسی در جهت توسعه رایانه‌های کوانتومی قابل برنامه‌ریزی و مقیاس‌پذیر به شمار می‌رود.

پژوهشگران در سه آزمایش جداگانه از یک یون منفرد یتربیوم درون تله پال استفاده کردند. این سیستم با بهره‌گیری از آرایه‌ای پیچیده از لیزر‌ها در دمای اتاق اتم را در جای خود نگه می‌دارد و ارتعاشات طبیعی آن را به‌گونه‌ای کنترل می‌کند که کد‌های GKP پیچیده قابل پیاده‌سازی شوند.