حالت‌های جادویی: رایانه‌های کوانتومی در برابر خطا مقاوم‌تر و قدرتمند‌تر میشوند.

این حالت‌های خاص کوانتومی به رایانه‌های کوانتومی کمک می‌کنند تا بتوانند عملیات لازم را به‌صورت پایدار و قابل اطمینان انجام دهند.

رایانه‌های کوانتومی سرانجام توانسته‌اند مجموعه‌ی کامل عملیات مورد نیاز برای انجام محاسبات قدرتمند و پایدار را با موفقیت به اجرا درآورند — و این موفقیت تا حد زیادی مرهون بهره‌گیری از مفهومی به نام «حالت‌های جادویی» است.

در دو مقاله‌ی پژوهشی که در تاریخ ۱۷ ژوئن در پایگاه arXiv.org منتشر شد، محققان شرایطی موسوم به «حالت‌های جادویی» (magic states) را تولید کردند؛ این حالت‌ها اجزایی اساسی در معماری رایانش کوانتومی محسوب می‌شوند. نکته حائز اهمیت آن است که کیفیت این حالت‌ها به حدی بالا بود که امکان اجرای عملیات محاسباتی با مقاومت در برابر خطا را فراهم ساخت — قابلیتی که یکی از چالش‌های اصلی رایانه‌های کوانتومی به شمار می‌رود.

رایانش کوانتومی این قابلیت را دارد که با بهره‌گیری از اصول فیزیک کوانتومی در مقیاس‌های زیراتمی، محاسباتی را انجام دهد که از توان رایانه‌های کلاسیک فراتر می‌رود. رایانه‌های کوانتومی مبتنی بر واحدهایی به نام «کیوبیت» (qubit) هستند که عملکردی مشابه بیت‌های رایانه‌های سنتی دارند، اما به دلیل ماهیت کوانتومی خود، به شدت به خطا حساس‌اند. این خطاها در جریان محاسبات می‌توانند تجمع یافته و عملکرد کلی سیستم را مختل کنند. از این رو، طراحی سیستم‌هایی که قابلیت شناسایی و اصلاح خطا را در حین اجرای عملیات دارند — موسوم به رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا (fault-tolerant quantum computers) — از اولویت‌های اصلی این حوزه است.

در این پژوهش‌ها، دانشمندان توانستند مجموعه‌ی کاملی از عملیات مقاوم در برابر خطا را به اجرا بگذارند — که دستیابی به آن شرط لازم برای ساخت رایانه‌های کوانتومی کاملاً کاربردی و قابل اتکا است. این عملیات شامل دست‌کاری کیوبیت‌ها از طریق اعمال تغییرات مستقیم یا ایجاد پیوندهای کوانتومی میان آن‌ها (مانند پدیده‌ی درهم‌تنیدگی کوانتومی) است. برخی از این عملیات به‌طور مستقیم قابل پیاده‌سازی هستند، اما برای اجرای گروهی دیگر از عملیات پیچیده‌تر، لازم است پیکربندی‌های خاصی — موسوم به «حالت‌های جادویی» — تولید شود.

تا پیش از این، اجرای چنین عملیات پیشرفته‌ای به‌صورت کاملاً مقاوم در برابر خطا و با عملکردی فراتر از روش‌های فاقد اصلاح خطا، دست‌نیافتنی بود.

به گفته‌ی بوریس بلینوف، فیزیک‌دان دانشگاه واشنگتن در سیاتل:

«پژوهشگران در واقع موفق به ارائه‌ی آخرین قطعه‌ی گم‌شده در معماری کامل و مقیاس‌پذیر رایانش کوانتومی مقاوم در برابر خطا شده‌اند.» در این دستاورد، از دو رایانه‌ی کوانتومی ساخت شرکت Quantinuum بهره گرفته شد. این سامانه‌ها از یون‌ها — یا همان اتم‌های باردار الکتریکی — به عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند.