پژوهشگران احتمالا در راه حل یکی از مشکلات اساسی رایانه‌های کوانتومی گام بلندی برداشته‌اند.

این فناوری که می‌تواند به ساخت انواع کاملا جدیدی از رایانه‌های بسیار قدرتمندتر منجر شود، به‌ این دلیل تحسین شده است که به صورت بالقوه، می‌تواند طیف گسترده‌ای از مزایا را به همراه داشته باشد. این مزایا شامل فراهم کردن امکان ساخت انواع جدیدی از هوش مصنوعی و انجام دادن پژوهش‌هایی است که می‌توانند به تولید باتری‌های بهتر و مواد دیگر منجر شوند. این فناوری با بهره‌گیری از قوانین عجیب حاکم بر اتم‌ها و دیگر ذرات بسیار کوچک کار می‌کند و امکان ساخت رایانه‌هایی را فراهم می‌آورد که برخلاف دستگاه‌های کنونی ما، صرفا از صفر و یک تشکیل نشده‌اند، بلکه حالت‌های میانی این دو را نیز در برمی‌گیرند.

با این حال، تحقق این وعده تا حدی به دلیل رفتار ذاتا آشوبناک این سامانه‌ها با مانع روبه‌رو شده است. با گذشت زمان، ممکن است خطاهایی در این سامانه‌ها پدید بیایند که باعث می‌شوند نتایج آن‌ها غیرقابل‌اعتماد باشند.

با این حال، پژوهش جدید جزئیات آزمایشی را شرح می‌دهد که در آن، یک رایانه کوانتومی توانست حین کار، بخش‌هایی از سامانه خود را بررسی کند و به حالت اولیه بازگرداند. این آزمایش یکی از بزرگ‌ترین نمونه‌های نمایش چنین قابلیتی برای کنترل رایانه‌های کوانتومی است. تصور می‌شود این نوع کنترل برای ساخت رایانه‌های کوانتومی که بتوان واقعا به آن‌ها اعتماد کرد و از قابلیت‌های تحول‌آفرینشان بهره برد، ضروری باشد.

این ایده با فراهم کردن امکان شناسایی و اصلاح خطاها در حین کار برای یک رایانه کوانتومی عمل می‌کند. این امر می‌تواند در نهایت، ساخت یک رایانه کوانتومی مقاوم در برابر خطا را امکان‌پذیر کند؛ رایانه‌ای که نه با حذف خطاها، بلکه با اصلاح آن‌ها به محض وقوع، کار می‌کند، اما تاکنون هیچ‌کس موفق به انجام دادن این کار نشده است.

جبدیا پیکسلی از دانشگاه راتگرز و یکی از نویسندگان ارشد این مقاله، گفت: «برای ساخت یک رایانه کوانتومی مقاوم در برابر خطا، باید این بررسی‌ها و اصلاحات را طی یک محاسبه نه فقط یک یا دو بار، بلکه به دفعات بسیار زیاد انجام دهیم. این آزمایش نقطه عطفی در این مسیر است.»

در این آزمایش، پژوهشگران توانستند دفعات بررسی و بازگرداندن سامانه‌های داخلی رایانه کوانتومی به حالت اولیه را هم افزایش دهند و مشاهده کردند که این رایانه به‌سرعت از وضعیت آشوبناک به حالتی کنترل‌پذیر تغییر می‌کند. پژوهشگران گفتند که این نتیجه یک پیش‌بینی درباره رفتار کوانتومی و چگونگی پدید آمدن نظم از دل آشوب را تایید کرد.

بخشی از مشکلات رایانه‌های کوانتومی به‌طور مشخص به نحوه عملکرد آن‌ها مربوط می‌شود. یک رایانه کلاسیک از بیت‌هایی تشکیل شده است که می‌توانند روشن یا خاموش باشند، اما یک رایانه کوانتومی از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کند که تا زمان اندازه‌گیری می‌توانند حالت‌های ممکن متعددی میان این دو داشته باشند.

همین ویژگی آن‌ها را قدرتمند می‌کند، اما در عین حال، باعث می‌شود اطلاعات موجود در آن‌ها بسیار حساس [و آسیب‌پذیر] باشند: گرما، مشکلات بسیار جزئی سخت‌افزاری یا سیگنال‌های ناخواسته از منابع دیگر می‌توانند حالت کیوبیت‌ها را تغییر دهند و سپس خطاهایی ایجاد کنند که با انباشته شدن، سامانه را غیرقابل‌اعتماد می‌کنند.

مایکا تاکیتا، پژوهشگر ارشد در زمینه آزمایش‌های اصلاح خطای کوانتومی و مدارهای دینامیک در شرکت «آی‌بی‌ام» و یکی دیگر از نویسندگان این مقاله، گفت: «چالش صرفا اندازه‌گیری یک کیوبیت نبود، بلکه انجام دادن مکرر این کار در حالی بود که بقیه پردازنده همچنان به کارش ادامه می‌داد. این آزمایش نشان می‌دهد که سخت‌افزارهای امروزی می‌توانند عملیات کوانتومی، اندازه‌گیری‌ها و بازگرداندن به حالت اولیه را هزاران بار در سراسر یک سامانه بزرگ هماهنگ کنند.»

پژوهشگران در این پژوهش، از یکی از قدرتمندترین پردازنده‌های کوانتومی جهان، ساخت شرکت آی‌بی‌ام، استفاده کردند و آن را طوری تنظیم کردند که میان دو وظیفه متضاد جابه‌جا شود. یکی از این وظایف اطلاعات را درهم می‌آمیخت و آشوب را گسترش می‌داد و وظیفه دیگر پس از آن، کیوبیت‌هایی را که به این ترتیب درهم‌آمیخته شده بودند، بررسی می‌کرد و هرکدام را که به بازگرداندن به حالت اولیه نیاز داشتند، به آن حالت بازمی‌گرداند.

این گروه در مجموع، نزدیک به پنج هزار عملیات و پنج هزار بررسی و بازگرداندن به حالت اولیه انجام داد. پژوهشگران می‌گویند این بزرگ‌ترین نمایش موفقیت‌آمیز این رویکرد است که تاکنون انجام شده است.

پژوهشگران همچنین توانستند نسبت میان درهم‌آمیختن اطلاعات و کنترل آن‌ها را تغییر دهند. هنگامی که درهم‌آمیختن اطلاعات در بیش از نیمی از مواقع رخ می‌داد، سامانه در وضعیت آشوبناک باقی می‌ماند و هنگامی که بررسی‌ها بیشتر می‌شد، سامانه به همان شکلی که برای کار کردن لازم بود، به وضعیت منظم درمی‌آمد.

جاستین ویلسون، دانشیار فیزیک در دانشگاه ایالتی لوییزیانا و یکی دیگر از نویسندگان این مقاله، گفت: «تغییرات کوچک می‌توانند به پیامدهای بزرگ و تقریبا پیش‌بینی‌ناپذیری منجر شوند. مانند این ایده کلاسیک که بال زدن یک پروانه در آفریقا می‌تواند در نهایت در وقوع توفندی سهم داشته باشد که لوییزیانا را درمی‌نوردد.

اما این رفتار مهارنشدنی را می‌توان با مداخلات تصادفی تحت کنترل درآورد و نرخ کاملا مشخصی برای وقوع این تغییر وجود دارد. روشن نبود که آیا این گذار از آشوب به کنترل، در فیزیک کوانتومی نیز برقرار می‌ماند یا نه، اما نتایج ما نشان می‌دهند که چنین است.»

نتایج این پژوهش در مقاله جدیدی با عنوان «نظم از دل آشوب با مدارهای تطبیقی در سخت‌افزار کوانتومی» که در مجله «نیچر فیزیکس» (Nature Physics) منتشر شد، گزارش شده است.