חוקרים ב-Caltech פיתחו שיטה חדשה למדידת שיעורי השגיאות של מחשבים קוונטיים באמצעות מחשבים קלאסיים, ללא צורך בסימולציות מלאות. פריצת דרך זו עוזרת להתגבר על האתגרים שמציבים השגיאות הטבועות במערכות קוונטיות ועשויה להאיץ את הפיתוח של טכנולוגיות מחשוב קוונטי מדויקות יותר. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
שיטה חדשה משתמשת במחשבים קלאסיים כדי לאמת את הדיוק של מערכות קוונטיות מורכבות.
מחשבים קוונטיים מחזיקים בהבטחה להתעלות על מחשבים קלאסיים בפתרון בעיות מורכבות בתחומים שונים כגון מדעי המחשב, רפואה, עסקים, כימיה ופיזיקה. עם זאת, המכונות המתקדמות הללו עדיין לא הגיעו למיצוי הפוטנציאל שלהן, מכיוון שהן נאבקות כעת עם שגיאות מובנות. חוקרים עובדים במרץ כדי למזער את הפגמים הללו ולשפר את הביצועים של מחשבים קוונטיים.
אחת הדרכים לחקור שגיאות אלו היא להשתמש במחשבים קלאסיים כדי לדמות את המערכות הקוונטיות ולאמת אותן דיוק. המלכוד היחיד הוא שככל שמכונות קוונטיות הופכות מורכבות יותר ויותר, הריצה של סימולציות שלהן במחשבים מסורתיים תימשך שנים או יותר.
כעת, חוקרי Caltech המציאו שיטה חדשה שבאמצעותה מחשבים קלאסיים יכולים למדוד את שיעורי השגיאות של מכונות קוונטיות מבלי צורך לדמות אותן באופן מלא. הצוות מתאר את השיטה במאמר בכתב העת טֶבַע.
"בעולם מושלם, אנחנו רוצים לצמצם את הטעויות האלה. זה החלום של התחום שלנו", אומר אדם שו, המחבר הראשי של המחקר וסטודנט לתואר שני שעובד במעבדתו של מנואל אנדרס, פרופסור לפיזיקה ב-Caltech. "אבל בינתיים, אנחנו צריכים להבין טוב יותר את השגיאות העומדות בפני המערכת שלנו, כדי שנוכל לפעול כדי לצמצם אותן. זה הניע אותנו להמציא גישה חדשה להערכת הצלחת המערכת שלנו".
סימולטורים קוונטיים והסתבכות
במחקר החדש, הצוות ביצע ניסויים באמצעות סוג של מחשב קוונטי פשוט המכונה סימולטור קוונטי. סימולטורים קוונטיים מוגבלים יותר בהיקפם ממחשבי קוונטים ראשוניים הנוכחיים ומותאמים למשימות ספציפיות. הסימולטור של הקבוצה מורכב מאטומי Rydberg הנשלטים באופן אינדיבידואלי – אטומים במצבים נרגשים מאוד – אותם הם מפעילים באמצעות לייזרים.
תכונה מרכזית אחת של הסימולטור, ושל כל מחשבי הקוונטים, היא הסתבכות – תופעה שבה אטומים מסוימים מתחברים זה לזה מבלי ממש לגעת. כאשר מחשבים קוונטיים עובדים על בעיה, הסתבכות נבנית באופן טבעי במערכת, המחברת את האטומים באופן בלתי נראה. בשנה שעברה, אנדרס, שו ועמיתיו חשפו שככל שההסתבכות גוברת, הקשרים האלה מתפשטים בצורה כאוטי או אקראית, כלומר הפרעות קטנות מובילות לשינויים גדולים באותו האופן שבו כנפיים מתנפנפות של פרפר יכולות להשפיע תיאורטית על דפוסי מזג האוויר העולמיים.
מחשבים קלאסיים אינם מסוגלים לדמות באופן מלא את העבודה של מערכות קוונטיות, במיוחד אלה עם יותר מ-30 קיוביטים. כדוגמה היפותטית, אם מחשב קוונטי היה יוצר את המונה ליזה, הוא יכול ליצור הרבה מהפרטים אך הוא נוטה לשגיאות, ומכאן המראה המטושטש של הציור מימין בקונספט של אמן זה. מחשב קלאסי לא יכול היה ליצור את הפרטים כמו את המחשב הקוונטי אבל יכול להעריך בערך את המשימה של המחשב הקוונטי, ומכאן הפיקסלציה של התמונה משמאל. כדי לעקוף את המגבלה הזו ולדמות טוב יותר מערכות קוונטיות, החוקרים השתמשו בשיטה כדי לשנות את כמות ה"פיקסלציה" בסימולציה ממוחשבת קלאסית ולאחר מכן לבצע אקסטרפולציה מתוצאות אלו כדי להעריך את ה"טשטוש" של מערכות קוונטיות. קרדיט: קלטק
מגבלות של סימולציות קלאסיות
המורכבות ההולכת וגוברת זו היא מה שנותן למחשבים קוונטיים את הכוח לפתור סוגים מסוימים של בעיות הרבה יותר מהר מאשר מחשבים קלאסיים, כמו אלה בקריפטוגרפיה שבהם יש לחשב מספרים גדולים במהירות.
אבל ברגע שהמכונות מגיעות למספר מסוים של אטומים מחוברים, או קיוביטים, לא ניתן עוד לדמות אותם באמצעות מחשבים קלאסיים. "כשאתה עובר את 30 קיוביטים, הדברים משתגעים", אומר שו. "ככל שיש לך יותר קיוביטים והסתבכות, החישובים מורכבים יותר."
לסימולטור הקוונטי במחקר החדש יש 60 קיוביטים, שלדבריו שו מכניס אותו למשטר שאי אפשר לדמות בדיוק. "זה הופך למלכוד 22. אנחנו רוצים ללמוד משטר שקשה למחשבים קלאסיים לעבוד בו, אבל עדיין מסתמכים על אותם מחשבים קלאסיים כדי לדעת אם סימולטור הקוונטי שלנו נכון." כדי לעמוד באתגר, שו ועמיתיו נקטו בגישה חדשה, והריצו הדמיות מחשב קלאסיות המאפשרות כמויות שונות של הסתבכות. שו מדמה זאת לציור עם מברשות בגדלים שונים.
"בוא נגיד שהמחשב הקוונטי שלנו מצייר את המונה ליזה כאנלוגיה", הוא אומר. "המחשב הקוונטי יכול לצייר ביעילות רבה ובתיאוריה, בצורה מושלמת, אבל הוא עושה שגיאות שמושחות את הצבע בחלקים מהציור. זה כאילו למחשב הקוונטי יש ידיים רועדות. כדי לכמת שגיאות אלו, אנו רוצים שהמחשב הקלאסי שלנו ידמה את מה שהמחשב הקוונטי עשה, אבל המונה ליזה יהיה מורכב מדי בשביל זה. זה כאילו למחשבים הקלאסיים יש רק מברשות ענקיות או גלילים ואינם יכולים לתפוס את הפרטים העדינים יותר.
"במקום זאת, יש לנו הרבה מחשבים קלאסיים שצובעים את אותו הדבר במברשות עדינות יותר ויותר, ואז אנחנו ממצמצים את עינינו ומעריכים איך זה היה נראה אם הם היו מושלמים. אז אנחנו משתמשים בזה כדי להשוות מול המחשב הקוונטי ולהעריך את השגיאות שלו. בעזרת בדיקות צולבות רבות, הצלחנו להראות שה'פזילה' הזו נכונה מבחינה מתמטית ונותנת את התשובה בצורה די מדויקת".
החוקרים העריכו שהסימולטור הקוונטי של 60 קיוביטים שלהם פועל עם שיעור שגיאות של 91 אחוז (או שיעור דיוק של 9 אחוז). זה אולי נשמע נמוך, אבל הוא, למעשה, גבוה יחסית למצב התחום. לצורך התייחסות, לניסוי גוגל משנת 2019, שבו טען הצוות שהמחשב הקוונטי שלהם עלה על המחשבים הקלאסיים, היה דיוק של 0.3 אחוז (אם כי מדובר בסוג מערכת שונה מזו שבמחקר זה).
שו אומר: "עכשיו יש לנו אמת מידה לניתוח הטעויות ב מחשוב קוונטי מערכות. זה אומר שכאשר אנו מבצעים שיפורים בחומרה, אנו יכולים למדוד עד כמה השיפורים עבדו. בנוסף, עם המדד החדש הזה, אנחנו יכולים גם למדוד כמה הסתבכות מעורבת בסימולציה קוונטית, מדד נוסף להצלחתה."
המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע (חלקית באמצעות המכון למידע וחומר קוונטי של קלטק, או IQIM), הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של הביטחון (DARPA), משרד המחקר של הצבא, מאיץ המערכות הקוונטיות של משרד האנרגיה האמריקני, מלגת הפוסט-דוקטורט של Troesh, האקדמיה הלאומית הגרמנית למדעים לאופולדינה, ומכון וולטר בורק לפיזיקה תיאורטית של Caltech.
