گوگل اعلام کرد که یکی از امیدوارکننده‌ترین ترفندهای محاسبات کوانتومی را که پیش از این تنها در حد تئوری بود، به مرحله عملیاتی روی تراشه رسانده است.
پیشرفت در کاهش خطاها
تیم هوش مصنوعی کوانتومی گوگل در مقاله‌ای که روز پنجشنبه در نشریه Science منتشر شد، نشان داد که تکنیکی به نام “کشت حالت جادویی” (magic state cultivation) توانسته است خطاها را در پردازنده Willow این شرکت حدود ۴۰ برابر کاهش دهد.
اهمیت کاهش هزینه‌ها
ارزان‌تر کردن ساخت کامپیوترهای کوانتومی، اهمیتی فراتر از آزمایشگاه‌های فیزیک دارد، زیرا روزی را که این کامپیوترها بتوانند کارهای مفید انجام دهند، مانند طراحی دارو و مواد جدید، و همچنین روزی که بتوانند رمزنگاری محافظ حساب‌های بانکی و کیف پول‌های بیت‌کوین را بشکنند، نزدیک‌تر می‌کند.
چالش‌های محاسبات کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی بر پایه کیوبیت‌ها (کوانتوم بیت‌ها) کار می‌کنند که می‌توانند همزمان ترکیبی از ۰ و ۱ را در خود نگه دارند و این امکان را فراهم می‌کنند که چندین پاسخ را به صورت موازی بررسی کنند. این کیوبیت‌ها بسیار شکننده هستند؛ اندکی گرما یا نویز الکتریکی می‌تواند یک کیوبیت را تغییر داده و محاسبات را مختل کند. به همین دلیل، کل صنعت درگیر تصحیح خطا (پخش یک قطعه اطلاعات در میان چندین کیوبیت برای شناسایی و رفع اشتباهات) است.
عملیات پیچیده و هزینه‌های بالا
تصحیح خطا برای عملیات ساده به خوبی عمل می‌کند، اما یک برنامه واقعاً مفید به دسته‌ای از عملیات پیچیده‌تر نیاز دارد که نمی‌توان آن‌ها را به همین روش محافظت کرد. برای اجرای این عملیات، ماشین ابتدا باید “حالت‌های جادویی” تولید کند که مانند سلول‌های سوختی یک‌بار مصرف برای آن عملیات عمل می‌کنند؛ هر کدام در لحظه استفاده مصرف می‌شوند.
گوگل می‌گوید تولید حالت‌های جادویی تمیز همواره بسیار پرهزینه بوده است. برخی تخمین‌ها نشان می‌دهند که این هزینه می‌تواند تا ۹۵ درصد از کل ظرفیت یک کامپیوتر کوانتومی را به خود اختصاص دهد و فضای بسیار کمی برای محاسبات واقعی باقی بگذارد.
روش‌های تصحیح خطا
فیزیکدانان سرگئی براوی و آلکسی کیتایف در سال ۲۰۰۴، راه حل استاندارد “تقطیر حالت جادویی” (magic state distillation) را ارائه دادند که در آن چندین حالت جادویی پرنویز را به چند حالت تمیز تقطیر می‌کنند. این روش کارآمد است، اما نیازمند “کارخانه‌های” گسترده کیوبیت است که هیچ کار دیگری انجام نمی‌دهند.
نوآوری گوگل: کشت حالت جادویی
در سال ۲۰۲۴، محققان گوگل مسیری ارزان‌تر به نام “کشت حالت جادویی” را پیشنهاد کردند. این تکنیک به جای کارخانه، مانند یک فیلتر عمل می‌کند؛ یک حالت جادویی خام به بخش کوچکی از تراشه تزریق می‌شود و سپس زنجیره‌ای از بررسی‌ها روی آن اجرا می‌شود، هر تلاش دارای نقص رد می‌شود و موارد باقی‌مانده حفظ و تقویت می‌شوند. مقاله آن‌ها حتی پیشنهاد کرده بود که “تقطیر بیشتر ممکن است در عمل هرگز مورد نیاز نباشد.”
نتایج عملی
گوگل اعلام کرد: “در پردازنده Willow هوش مصنوعی کوانتومی گوگل، پروتکل ما کاهش چشمگیر ۴۰ برابری خطاها را نسبت به حالت‌های غیرکشت شده به دست آورد. ما همچنین T-states را با دقت منطقی رکورددار ۹۹.۹۹٪ دریافت کردیم.”
تنها حدود ۸ درصد از تلاش‌ها از تمام بررسی‌ها عبور کردند، به این معنی که تراشه بیش از ۹ مورد از هر ۱۰ تلاش برای حفظ یک حالت تمیز را دور می‌ریزد.
تأثیر بر رمزنگاری
کشت حالت جادویی یکی از ترفندهای پشت تخمین گیدنی در سال ۲۰۲۵ است که بر اساس آن، رمزنگاری RSA-2048 با کمتر از یک میلیون کیوبیت پرنویز قابل شکستن است؛ این رقم ۲۰ برابر کمتر از ۲۰ میلیون کیوبیت تخمین زده شده در سال ۲۰۱۹ است. تا پیش از این آزمایش، کشت حالت جادویی تنها در حد تئوری و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری آزمایش شده بود.
گوگل در ماه مارس با انتشار یک مقاله سفید توسط تیم هوش مصنوعی کوانتومی، با همکاری جاستین دریک از بنیاد اتریوم و دن بونه، رمزنگاری منحنی بیضوی بیت‌کوین (م mathی که از استخراج کلید خصوصی شما از آدرس عمومی‌تان جلوگیری می‌کند) را با کمتر از ۵۰۰ هزار کیوبیت فیزیکی قابل شکستن دانست. این اقدام پس از آزمایش “Quantum Echoes” این شرکت در اکتبر گذشته صورت گرفت که اولین سرعت‌بخشی کوانتومی تأیید شده بر روی سخت‌افزار واقعی بود.
محدودیت‌های فعلی
هیچ کس در حال حاضر با این روش در حال خالی کردن کیف پول‌ها نیست. این آزمایش حداکثر از ۵۴ کیوبیت از ۱۰۵ کیوبیت Willow استفاده کرد و مقاله اشاره می‌کند که شکستن کلید RSA-2048 نیازمند حالت‌های جادویی با خطاهایی در حدود یک در ۱۰ میلیارد است، که تقریباً یک میلیون برابر تمیزتر از آنچه گوگل اخیراً به دست آورده است.
گام‌های بعدی
گوگل اعلام کرد که گام بعدی، اجرای کشت حالت جادویی در مقیاس بزرگتر است. این تیم پیش‌بینی می‌کند که نصف کردن نویز زیربنایی سخت‌افزار Willow، خطاهای حالت جادویی را به حدود دو در ۱۰۰ هزار کاهش می‌دهد، زیرا خطاها در این فرآیند با توان سوم سطح نویز تراشه کاهش می‌یابند.
