دستاورد بی‌سابقه در ساخت رایانه کوانتومی بدون خطا؛ تقطیر حالت‌های جادویی ممکن شد

تصور کنید رایانه‌ای وجود داشته باشد که بتواند مسائلی را که قدرتمندترین ابرکامپیوترهای فعلی برای حل آن‌ها به هزاران سال زمان نیاز دارند، تنها در چند ثانیه حل کند! این رؤیای بزرگ، بر دوش فناوری‌ای به نام رایانه‌های کوانتومی است؛ نوعی رایانه که نه با بیت‌های صفر و یک سنتی، بلکه با واحدهایی به نام کیوبیت (qubit) کار می‌کند. کیوبیت هم مخفف quantum bit به معنای «بیت کوانتومی» است.

اما ساخت این ماشین‌های قدرتمند، با چالش‌های بزرگ و پیچیده‌ای روبه‌رو است. یکی از مهم‌ترین این چالش‌ها، میزان بالای خطا در پردازش اطلاعات کوانتومی است. یعنی حتی اگر چنین رایانه‌ای ساخته شود، ممکن است اطلاعاتش آن‌قدر دچار اشتباه شوند که دیگر قابل اعتماد نباشند. اما به تازگی، گروهی از دانشمندان شرکت QuEra Computing توانسته‌اند گامی مهم برای حل این مشکل بردارند. آن‌ها به چیزی دست یافته‌اند که به گفته کارشناسان، «نقطه عطفی در تاریخ رایانش کوانتومی» به شمار می‌رود. با دیجی رو همراه باشید.

رایانه کوانتومی چیست و چرا متفاوت است؟

در رایانه‌های معمولی، کوچک‌ترین واحد اطلاعات یک بیت است که فقط می‌تواند صفر یا یک باشد. اما در رایانه‌های کوانتومی، ما از «کیوبیت» استفاده می‌کنیم. این کیوبیت‌ها می‌توانند هم‌زمان هم صفر و هم یک باشند (پدیده‌ای به نام «برهم‌نهی»)، و به همین دلیل، می‌توانند مقدار بسیار زیادی اطلاعات را در یک زمان پردازش کنند.

این ویژگی باعث می‌شود که رایانه‌های کوانتومی بتوانند بعضی از مسائل بسیار پیچیده را خیلی سریع‌تر از رایانه‌های امروزی حل کنند. اما یک مشکل بزرگ وجود دارد: کیوبیت‌ها بسیار حساس و ناپایدارند. کوچک‌ترین لرزش، تغییرات دما یا تداخل مغناطیسی می‌تواند باعث شود آن‌ها اشتباه عمل کنند.

راه‌حل چیست؟ ساخت کیوبیت‌های منطقی

برای حل این مشکل، دانشمندان راهی پیدا کرده‌اند: به جای اینکه تنها به یک کیوبیت تکیه کنیم، چند کیوبیت فیزیکی را طوری با هم ترکیب می‌کنیم که یک کیوبیت منطقی بسازند. این کیوبیت منطقی مثل یک تیم پشتیبانی عمل می‌کند. اگر یکی از کیوبیت‌هایش دچار خطا شد، بقیه می‌توانند آن را تشخیص داده و اصلاح کنند.

اما حتی این راه‌حل هم کافی نیست. برای اینکه رایانه کوانتومی بتواند عملیات‌های پیشرفته و واقعاً مفید انجام دهد، باید از نوع خاصی از عملیات استفاده کند که به آن‌ها «دروازه‌های غیرکلیفورد» (Clifford gates) گفته می‌شود. انجام این عملیات‌ها نیازمند منبعی به نام «حالت‌های جادویی» (Magic State) است.

حالت‌های جادویی چه هستند و چرا اهمیت دارند؟

حالت‌های جادویی در واقع نوعی وضعیت آماده از کیوبیت‌ها هستند که برای انجام عملیات‌های پیچیده در رایانه‌های کوانتومی لازم‌اند. بدون آن‌ها، حتی بهترین رایانه کوانتومی هم نمی‌تواند کارهایی را انجام دهد که فراتر از توان ابرکامپیوترها باشد.

اما مشکل اینجاست که تولید این حالت‌های جادویی بسیار سخت و پرخطاست. برای اینکه این منابع به اندازه کافی دقیق و قابل استفاده شوند، باید یک فرآیند خاص روی آن‌ها انجام شود که به آن «تقطیر حالت‌های جادویی» (Magic State Distillation) می‌گویند. این فرآیند مثل یک صافی عمل می‌کند: حالت‌های جادویی ضعیف و ناقص را گرفته و یک حالت جادویی باکیفیت از آن‌ها بیرون می‌کشد.

تا پیش از این، این فرآیند فقط روی کیوبیت‌های فیزیکی و پرخطا قابل اجرا بود، نه روی کیوبیت‌های منطقی که برای تصحیح خطا طراحی شده‌اند. به همین دلیل، در عمل امکان استفاده از این فرآیند در رایانه‌های کوانتومی واقعی وجود نداشت.

موفقیت QuEra: انجام تقطیر حالت‌های جادویی روی کیوبیت‌های منطقی

در تیرماه 1404 (ژوئیه 2025)، شرکت QuEra اعلام کرد که توانسته برای اولین بار در جهان، تقطیر حالت‌های جادویی را روی کیوبیت‌های منطقی انجام دهد. این یعنی حالا می‌توان هم از کیوبیت‌هایی استفاده کرد که در برابر خطا مقاوم‌اند و هم حالت‌های جادویی مورد نیاز برای عملیات‌های پیشرفته را تولید کرد.

آن‌ها این کار را با استفاده از رایانه‌ای به نام جمینی (Gemini) انجام دادند که از نوعی فناوری خاص به نام «اتم خنثی» استفاده می‌کند. در این آزمایش، پنج حالت جادویی ناقص را ترکیب کردند تا یک حالت جادویی با کیفیت بالا بسازند. این کار را روی کیوبیت‌های منطقی با «فاصله»‌های مختلف انجام دادند (در اینجا فاصله به معنای تعداد خطاهایی است که می‌توان تشخیص داده و اصلاح کرد. مثلاً فاصله 3 یعنی توانایی تصحیح یک خطا).

نتیجه این آزمایش نشان داد که تقطیر حالت‌های جادویی می‌تواند روی کیوبیت‌های منطقی، آن هم به صورت مقیاس‌پذیر (قابل گسترش در سیستم‌های بزرگ)، انجام شود. این دقیقاً همان چیزی است که رایانه‌های کوانتومی برای عملکرد واقعی، قابل اعتماد و فراتر از رایانه‌های معمولی به آن نیاز دارند.

چرا این دستاورد مهم است؟

یووال بوگر (Yuval Boger)، یکی از مدیران شرکت QuEra، این‌طور توضیح می‌دهد:

بدون حالت‌های جادویی باکیفیت، رایانه‌های کوانتومی نمی‌توانند وعده‌های خود را عملی کنند.

به بیان ساده، این دستاورد علمی به ما نشان می‌دهد که رایانه‌های کوانتومی، اگر چه هنوز در آغاز راه‌اند، اما در مسیر رسیدن به عملکرد واقعی و قابل اعتماد، یک گام بزرگ رو به جلو برداشته‌اند.

نتیجه‌گیری

شاید در آینده‌ای نه چندان دور، رایانه‌های کوانتومی بتوانند درمان‌های دارویی جدید کشف کنند، مشکلات پیچیده آب‌وهوایی را مدل‌سازی کنند یا رمزنگاری‌های غیرقابل نفوذ امروز را بشکنند. اما برای رسیدن به آن نقطه، باید این رایانه‌ها بتوانند بدون خطا کار کنند.

دستاورد اخیر دانشمندان QuEra در «تقطیر حالت‌های جادویی روی کیوبیت‌های منطقی»، ما را یک قدم بزرگ به این آینده نزدیک‌تر کرده است.