الباحثون في الكوانتم أظهروا الكيوبيتس مثل البتات

معلومة تهمك

الباحثون في الكوانتم أظهروا الكيوبيتس مثل البتات
مصر: إيهاب محمد زايد
تظهر نتيجة جديدة أن المعلومات الكمومية يمكن حمايتها نظريًا من الأخطاء تمامًا كما يمكن حماية المعلومات التقليدية. على مر القرون ، تعلمنا أن نضع المعلومات في شكل دائم ومفيد بشكل متزايد ، من الألواح الحجرية إلى الورق إلى الوسائط الرقمية. ابتداءً من الثمانينيات ، بدأ الباحثون في التنظير حول كيفية تخزين المعلومات داخل جهاز كمبيوتر كمي ، حيث يخضع لجميع أنواع أخطاء المقياس الذري. بحلول تسعينيات القرن الماضي ، وجدوا بعض الأساليب ، لكن هذه الأساليب لم ترقى إلى مستوى منافساتها من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية (العادية) ، والتي وفرت مزيجًا مذهلاً من الموثوقية والكفاءة.

الآن ، في نسخة أولية نُشرت في 5 نوفمبر ، أظهر بافل بانتيليف وجليب كالاتشيف من جامعة موسكو الحكومية أنه – على الأقل ، من الناحية النظرية – يمكن حماية المعلومات الكمية من الأخطاء تمامًا كما يمكن حماية المعلومات التقليدية. لقد فعلوا ذلك من خلال الجمع بين طريقتين كلاسيكيتين متوافقتين بشكل استثنائي وابتكار تقنيات جديدة لإثبات خصائصهم.

قال ينس إبرهاردت من جامعة فوبرتال في ألمانيا: “إنه إنجاز ضخم لبافيل وجليب”.

معلومة تهمك

اليوم ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية استخدام حوالي 100 كيوبت فقط ، وهو المعادل الكمي للبتات الكلاسيكية. سيحتاجون إلى آلاف أو ملايين أخرى ليصبحوا مفيدين حقًا. الطريقة الجديدة للبيانات الكمومية تحافظ على الأداء الثابت مع زيادة عدد الكيوبتات ، لذلك يجب أن تساعد في الحفاظ على حجم وتعقيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل إلى الحد الأدنى.

أظهر المؤلفون أيضًا كيف يمكن لطريقتهم الكمية أن تلعب دورًا طال انتظاره في جعل المعلومات الكلاسيكية قابلة للاختبار بحثًا عن الأخطاء – في نفس الوقت الذي اكتشفت فيه مجموعة أخرى نفس القدرة في طريقة كلاسيكية. قال أليكس لوبوتزكي من معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل: “إنه لأمر مدهش كيف تم حل مشكلة كانت مفتوحة لمدة 30 عامًا بشكل أساسي في نفس الوقت من قبل مجموعتين مختلفتين”.

في النهاية ، لا يمكننا أبدًا حماية المعلومات تمامًا من جميع الأخطاء. نعلم أنه يمكننا تمثيل المعلومات الكلاسيكية رياضيًا ، مثل كلمة أو رقم ، كسلسلة من الأرقام الثنائية أو البتات ، 1 و 0. ولكن عندما نبني هذه البتات فعليًا ، في شكل دوائر كهربائية ، نجد أن التفاعلات الكهربائية غير المرغوب فيها – غالبًا ما تسمى ضوضاء – تتسبب في قلب البتات العشوائية إلى القيمة الخاطئة.

في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي ، اكتشف كلود شانون وريتشارد هامينج الحلول الأولى ، واكتشاف طرق لاكتشاف الأخطاء وتصحيحها قبل بدء الحساب.

كانت طريقة هامينغ عملية بشكل خاص. بدءًا من التسلسل الأولي للبتات التي تمثل البيانات الأولية (على سبيل المثال ، قد يمثل التسلسل 110101 الرقم 53) ، أضاف بتات جديدة إلى التسلسل الذي يعمل مثل الإيصالات التي تحدد كيفية تلخيص بعض البتات الأولية. (على سبيل المثال ، 110101 يمكن أن يكون هناك رقم ملحق به ، 0 ، والذي يخبرنا أن مجموع كل البتات الأخرى له قيمة زوجية.) عن طريق التحقق من بتات البيانات مقابل بتات الإيصال (في هذا المثال ، تأكد من أنها تفعل ذلك بالفعل مجموع لقيمة زوجية) ، يمكن اكتشاف الأخطاء وتحديد موقعها وتصحيحها بشكل روتيني.

تسمى هذه الطرق لتصحيح الأخطاء الآن أكواد تصحيح الأخطاء ، أو مجرد أكواد. يقوم الكود بتشكيل سلسلة من البتات القصبية في سلسلة حديدية يمكن إصلاحها ، على حساب أن تكون أطول وأقل كفاءة.

يقوم الكود بتشكيل سلسلة من البتات القصبية في سلسلة حديدية يمكن إصلاحها. لكن بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، ثبت أن إنشاء رمز أكثر صعوبة. بدلاً من البتات ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات التي تكون جزئيًا 0 وجزئيًا 1 – كل ذلك مرة واحدة. هذه هي عرضة لنوعين من الأخطاء ، والتي إما طيها إلى قيمة واحدة (إما 0 أو 1) أو التخلص من التوازن بينهما. يمكن أن يتفاعل كل نوع من الأخطاء أيضًا مع الآخر ، مما يجعل حماية الكيوبتات أكثر تعقيدًا.

“هذه الكيوبتات سيئة. قال بانتيليف: “إنها صاخبة حقًا ، حقًا”. في عام 1995 ، أوضح بيتر شور أن المشكلة كانت ، بشكل مدهش ، أبسط مما تبدو. لقد أنشأ رمزًا كميًا من مزيج ذكي من رمزين كلاسيكيين ، واحد لكل نوع من أنواع الخطأ. بعبارة أخرى ، صاغ خام الكميات للكيوبتات في سلسلة قوية أيضًا. لكن هذا الرمز الكمي الأول كان غير فعال ، مما يتطلب العديد من وحدات البت للاستلام للتسلسل الأولي.

كانت تقنية الرموز الكلاسيكية أكثر تقدمًا مقارنةً ، مع وجود ثلاث خصائص محددة يمكن الحصول عليها. تم تسمية الكود الذي يحتوي على كل منهم الثلاثة ببساطة “جيد”.
أولاً ، يجب أن يكون قادرًا على تصحيح العديد من الأخطاء (مما يجعل السلسلة قوية). ثانيًا ، يجب أن يتطلب إضافة عدد قليل من بتات الاستلام (مما يجعل السلسلة خفيفة وفعالة). ثالثًا ، يجب أن تظل قوة السلسلة وكفاءتها ثابتة ، بغض النظر عن طول سلسلة البتات التي بدأت بها. باستخدام هذه الخاصية ، التي تسمى التحجيم الثابت ، أوضح شانون أنه يمكنك دائمًا تحسين القدرة على قمع الأخطاء ببساطة عن طريق زيادة طول السلسلة. تم إعادة إنتاج هذا الاكتشاف الرائع لاحقًا في سياق كمي.

بعد عمل شور ، سعى الباحثون إلى إنشاء أكواد كمية لها نفس الخصائص. ونجحوا – لهؤلاء الثلاثة. ولكن كانت هناك خاصية رابعة إضافية من الكود يحتاجون إليه ، ولا يمكنهم الحصول عليها بالإضافة إلى الثلاثة الآخرين. يُعرف باسم فحص التكافؤ منخفض الكثافة (LDPC) ، وهو ينص على أن كل إيصال يجب أن يلخص فقط عددًا صغيرًا من البتات (أو الكيوبتات).

قال نيكولاس بروكمان من يونيفرسيتي كوليدج لندن: “إنه لأمر رائع أن يكون لديك رموز كلاسيكية”. “لكنها لا غنى عنها تمامًا للشفرات الكمومية.”

لسوء الحظ ، تعطل نهج Shor الأولي في الجمع بين الأكواد الكلاسيكية عند محاولة إنشاء كود LDPC جيد الكم. لأسباب رياضية ، كانت أكواد LDPC الكلاسيكية الجيدة غير متوافقة ، ولا يمكن دمجها بالطريقة المثلى. لأكثر من 20 عامًا ، لم يتمكن أي شخص من معرفة كيفية الحصول على رمز كمي يمتلك في نفس الوقت خاصية LDPC مع تحجيم ثابت: مع زيادة طول رموز LDPC الكمومية ، تدهورت قوتها.

ثم في عام 2020 ، توصلت سلسلة من الباحثين المختلفين ، بما في ذلك Panteleev و Kalachev ، إلى أساليب جديدة جذريًا للجمع بين الرموز الكلاسيكية لإنشاء كود كمي. لا تزال السلاسل الكمومية التي صاغوها أضعف مع زيادة الطول ، ولكن ليس بالسرعة التي كانت عليها الرموز التي ظهرت من قبل. حتى أن Breuckmann و Eberhardt ابتكروا رمزًا كميًا تخمنوا أنه سيكون له مقياس ثابت ، لكنهم لم يتمكنوا من إثبات ذلك.

في عام 2021 ، بنى Panteleev و Kalachev على زيادة العمل لإنشاء كود كمي جديد ، والذي يمكن أن يثبت أنه يمتلك مزيجًا بعيد المنال من جميع الخصائص الأربع. إن السمات المميزة للرموز الكلاسيكية التي اجتمعت لصنع كودها الكمي هي تناظرها.

يمكن فهم تناظر الكود من خلال تصورها كرسم بياني ، مجموعة من الحواف (الخطوط) المتصلة بالرؤوس (النقاط) ، وهو منظور شائع في رياضيات الأكواد. يتم تمثيل أجزاء المعلومات كحواف الرسم البياني ، ويتم تمثيل الإيصالات كرؤوس ، والتي تلخص كل الحواف (البتات) التي تلامسها. من هذا المنظور ، يمكن القول أن الكود ذو الرسم البياني الدائري له تناظر دوراني ، على سبيل المثال. من اللافت للنظر أن الخصائص الهندسية للرسم البياني يمكن تحديدها بخصائص كودها. على سبيل المثال ، يمكن تحديد طول أقصر مسار حول حلقة (سطح دائري الشكل) من خلال قوة الشفرة المقابلة (عدد الأخطاء التي يمكن تصحيحها).

الكود الكمي لبانتيليف وكالاتشيف مشابه لمجموعة أو منتج من الرسوم البيانية ، ولكل منها تماثل استثنائي. وبالتالي ، فإن الشفرة الكمومية نفسها متناظرة للغاية ، مثل طارة منتجة من دائرتين. من خلال لف الطارة بطرق مختلفة ، يمكن زيادة الأطوال الموجودة على سطحه باستمرار مع زيادة عدد البتات في الرسم البياني. في النهاية ، يوفر هذا تحجيمًا ثابتًا ، بالإضافة إلى الخصائص الثلاثة الأخرى.

ما الذي يجعل من الصعب تفسير الحوسبة الكمومية؟
والنتيجة تعني أن الأكواد الكمومية تتطابق الآن مع الأكواد الكلاسيكية في مجموعة خصائصها. كما أنه يوفر وسيلة لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر كفاءة ، لأن قدرتها على تصحيح الأخطاء يمكن الآن (نظريًا) أن تظل ثابتة لأنها تصبح أكبر.

قالت نعومي نيكرسون من شركة الحوسبة الكمومية PsiQuantum: “إنها تنقل الجودة النظرية لهذه الرموز الكمومية إلى النقطة التي كانت موجودة في الترميز الكلاسيكي لفترة طويلة”.

في سياق تحقيق النتيجة ، أدرك بانتيليف وكالاتشيف أيضًا أن شفرتهما الكمية يمكن تفسيرها على أنها رمز كلاسيكي بخاصية خاصة. إذا كانت البيانات المشفرة بطريقتهم مليئة بنسبة كبيرة من الأخطاء ، فهذا يعني أن عمليات التحقق من أي إيصال تقريبًا ستكشف عنها. تسمى هذه الخاصية قابلية الاختبار المحلية ، وإلى جانب قوة الشفرة وكفاءتها ، فإنها تتمتع بمقياس ثابت لجميع الخصائص الثلاثة ، مما يجعل نوعًا جديدًا من الكود قد تهرب أيضًا من الباحثين لفترة طويلة.

تنبيه هام، المنشور يعبر عن رأي الكاتب ويتحمل مسؤوليته، دون ادنى مسؤولية علي الجريدة

تنبيه

احصل على تحديثات في الوقت الفعلي مباشرة على جهازك ، اشترك الآن.

معلومة تهمك

اترك رد

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

%d مدونون معجبون بهذه: