رایانه‌های کوانتومی تا زمانی که پژوهشگران روش‌های مؤثری برای اصلاح خطاهای طبیعی این دستگاه‌ها پیدا نکنند، به ابزارهایی کاربردی تبدیل نخواهند شد. فناوری اصلاح خطای کوانتومی (QEC) طی سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته، اما چندین پژوهش تازه نشان می‌دهند که ماهیت خطاهایی که این فناوری باید با آن‌ها مقابله کند، بسیار پیچیده‌تر از پیش‌بینی‌های قبلی
رایانه‌های کوانتومی تا زمانی که پژوهشگران روش‌های مؤثری برای اصلاح خطاهای طبیعی این دستگاه‌ها پیدا نکنند، به ابزارهایی کاربردی تبدیل نخواهند شد.
فناوری اصلاح خطای کوانتومی (QEC) طی سال‌های اخیر پیشرفت چشمگیری داشته، اما چندین پژوهش تازه نشان می‌دهند که ماهیت خطاهایی که این فناوری باید با آن‌ها مقابله کند، بسیار پیچیده‌تر از پیش‌بینی‌های قبلی است. این مسئله چالش‌های تازه‌ای برای عملیاتی کردن رایانه‌های کوانتومی ایجاد می‌کند.
ایده اصلاح خطای کوانتومی به نخستین روزهای شکل‌گیری محاسبات کوانتومی بازمی‌گردد؛ زمانی که دانشمندان هنوز در حال بررسی کاربردهای احتمالی این فناوری بودند. در آن دوران هیچ رایانه کوانتومی واقعی ساخته نشده بود و پژوهشگران صرفاً با تکیه بر محاسبات ریاضی و نظریه‌ها تلاش می‌کردند میزان موفقیت روش‌های اصلاح خطا و نوع محاسبات قابل‌اعتماد این دستگاه‌ها را مشخص کنند.
اکنون رایانه‌های کوانتومی وجود دارند و اطلاعات مربوط به خطاهای آن‌ها با سرعت زیادی جمع‌آوری می‌شود. بررسی‌های جدید به‌تدریج نشان می‌دهند برخی انواع خطا در مطالعات اولیه نادیده گرفته شده بودند و ممکن است روند پیشرفت این فناوری را با مشکل مواجه کنند.
اثر حافظه در خطاهای رایانه‌های کوانتومی
رایانه‌های کوانتومی از واحدهای پایه‌ای به نام کیوبیت تشکیل شده‌اند. این واحدها به دلیل حساسیت زیاد به تعامل با محیط اطراف، مستعد بروز خطا هستند. یکی از فرضیه‌های قدیمی درباره این خطاها، فرض مارکوف نام دارد که بر اساس آن، خطاهای کیوبیت فاقد حافظه هستند؛ یعنی خطاهایی که در زمان‌های مختلف رخ می‌دهند، ارتباطی با یکدیگر ندارند.
لورنتسا ویولا از کالج دارتموث در ایالت نیوهمپشایر توضیح می‌دهد که اثرات حافظه می‌توانند عملکرد مفید رایانه‌های کوانتومی را مختل کنند. دلیل این مسئله آن است که محیط اطراف کیوبیت ممکن است اطلاعاتی از تعاملات قبلی را حفظ کند و در نتیجه، اجرای یک عملیات یکسان در زمان‌های مختلف نتایج متفاوتی به همراه داشته باشد.
او این وضعیت را به ضرب عددی در ۲ تشبیه می‌کند که در یک لحظه نتیجه‌ای مشخص و در زمانی دیگر حاصل متفاوتی ارائه دهد. فرض مارکوف بر این اساس شکل گرفته که چنین اتفاقی یا اصلاً رخ نمی‌دهد یا تنها در موارد محدودی قابل مشاهده خواهد بود. پذیرش این فرض به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد برنامه‌های طولانی‌تری را اجرا کنند. با این حال، شواهد آزمایشگاهی نشان می‌دهند این فرض احتمالاً درست نیست و اثرات حافظه بارها در آزمایش‌ها مشاهده شده‌اند.
به‌تازگی ایوان پوپ از مؤسسه فناوری کارلسروهه و دانشگاه اشتوتگارت آلمان به همراه همکارانش روش اندازه‌گیری جدیدی طراحی کردند که وجود نقص‌های بسیار بادوام را در محیط اطراف یک کیوبیت ابررسانا آشکار کرد. این نقص‌ها حالت‌های کوانتومی ناخواسته‌ای هستند که ممکن است بر اثر نواقص مواد، مولکول‌های سرگردان یا عوامل دیگر ایجاد شوند. هرکدام از آن‌ها می‌توانند مانند نوعی حافظه عمل کنند.
پوپ درباره اهمیت این یافته گفت:
ما به‌طور مشخص نشان می‌دهیم که چگونه محیطی با اثرگذاری طولانی‌مدت می‌تواند یکی از فرض‌های اساسی اصلاح خطا را نقض کند.
اوایل سال جاری میلادی نیز رامی بارندز از شرکت پژوهشی فُرشونگ‌سنتْروم یولیخ آلمان و همکارانش نوع دیگری از کیوبیت‌های ابررسانا را بررسی کردند و به نتایج مشابهی درباره نقض فرض مارکوف رسیدند.
شواهد تازه از رایانه‌های کوانتومی گوگل و آی‌بی‌ام
چالش مربوط به فرض مارکوف تنها به بررسی کیوبیت‌های منفرد محدود نمی‌شود و در سطح رایانه‌های کوانتومی کامل نیز نشانه‌هایی از آن دیده شده است.
در سال ۲۰۲۵، جان فیدل کام از آژانس علم، فناوری و پژوهش سنگاپور، کاوان مودی از دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور، محمد عثمان از دانشگاه موناش استرالیا و همکارانشان یکی از آزمایش‌های مهم اصلاح خطا را با استفاده از رایانه کوانتومی ویلو متعلق به گوگل تحلیل کردند.
آن‌ها دریافتند برخی خطاهایی که اصلاح یا مدل‌سازی آن‌ها دشوار بود، با یک مدل نظری مطابقت دارند که در آن فرض مارکوف برقرار نیست. به بیان دیگر، محیط اطراف کیوبیت‌ها رفتاری غیرمارکوفی دارد و می‌تواند اثرات تعاملات گذشته را حفظ کند.
در بررسی دیگری، گرگوری کویروز از دانشگاه جانز هاپکینز در ایالت مریلند و همکارانش دریافتند مدلی که اثرات غیرمارکوفی را در نظر می‌گیرد، رفتار یک رایانه کوانتومی آی‌بی‌ام را که از طریق فضای ابری به آن دسترسی داشتند، هفت برابر بهتر از مدل‌های متداول نویز در پژوهش‌های اصلاح خطا توصیف می‌کند.
شرکت‌های آی‌بی‌ام و گوگل به درخواست مجله نیوساینتیست برای اظهارنظر درباره این یافته‌ها پاسخی ندادند.
ویولا و همکارانش همچنین دریافته‌اند بخش‌هایی از محیط اطراف کیوبیت که قابلیت حفظ اطلاعات دارند، ممکن است خودشان مانند سامانه‌های کوانتومی مستقل عمل کنند و به کیوبیت واکنش نشان دهند. چنین رفتاری نوع تازه‌ای از خطا را ایجاد می‌کند که روش‌های فعلی اصلاح خطای کوانتومی هنوز آن را در محاسبات خود لحاظ نکرده‌اند.
این تحقیقات هنوز در مراحل اولیه قرار دارند، اما ویولا معتقد است با پیشرفت سریع رایانه‌های کوانتومی، اثراتی که قبلاً اهمیت چندانی نداشتند، به‌تدریج به عوامل تعیین‌کننده‌ای تبدیل خواهند شد.
مودی نیز هشدار درباره وقوع یک بحران قطعی را زودهنگام می‌داند، اما تأکید می‌کند که در حال حاضر هیچ تضمین نظری یا آزمایشگاهی وجود ندارد که نشان دهد با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، این مشکل تشدید نخواهد شد.
مودی درباره این نگرانی گفت:
این احتمال وجود دارد که اصلاح خطا به نتیجه نرسد، زیرا نویز هم‌بسته یا همان اثرات حافظه در محاسبات لحاظ نشده است. هنوز به‌طور کامل نمی‌دانیم این مشکل در چه نقطه‌ای عملکرد سامانه را مختل می‌کند؛ بخشی از دشواری نیز به پیچیدگی توصیف نویزهای مختلف مربوط می‌شود.
برخی قضیه‌های ریاضی نشان می‌دهند رایانه‌های کوانتومی حتی در حضور اثرات حافظه و خطاهای هم‌بسته در زمان یا فضا نیز می‌توانند به مرحله تحمل خطا برسند. در این وضعیت، خطاها دیگر مانع اجرای صحیح محاسبات نخواهند شد.
با این حال، لورنتسا ویولا معتقد است هنوز مشخص نیست این هم‌بستگی‌ها تا چه اندازه می‌توانند افزایش پیدا کنند، بدون آنکه به یک مشکل جدی تبدیل شوند.
آمیت هاگار از دانشگاه ایندیانا بلومینگتون نیز می‌گوید شرایط لزوماً صفر و یکی نیست و ممکن است روش‌های استاندارد اصلاح خطا همچنان کارآمد باقی بمانند، اما فقط برای محاسباتی با طول یا پیچیدگی مشخص.
چنین محدودیتی می‌تواند یکی از مهم‌ترین وعده‌های رایانه‌های کوانتومی را زیر سؤال ببرد؛ زیرا قرار بود این دستگاه‌ها توانایی اجرای محاسباتی با طول نامحدود را داشته باشند.
روش‌های جدید برای مقابله با خطاهای پیچیده
هاگار معتقد است اکنون شرکت‌هایی که برای ساخت رایانه‌های کوانتومی تلاش می‌کنند، باید با شواهد محکم‌تری ادعاهای خود را اثبات کنند. او در این باره گفت:
آن‌ها وعده‌های خود را بر پایه یک قضیه ریاضی مشروط بنا کرده بودند، اما اکنون ممکن است شرط لازم برای معتبر بودن آن قضیه برقرار نباشد.
محمد عثمان آینده این فناوری را همچنان باز و نامشخص می‌داند، زیرا نرم‌افزارهای مورد استفاده برای اصلاح خطای کوانتومی هم‌زمان با پیشرفت سخت‌افزارها در حال تکامل هستند.
تا همین اواخر، برنامه‌های اصلاح خطا که ریشه در دهه ۱۹۹۰ داشتند، معیار اصلی این حوزه محسوب می‌شدند. اما اکنون نسل تازه‌ای از کدها با نام کیوبیت‌های کم‌تراکم و با قابلیت کنترل توازن (QLDPC) مورد توجه قرار گرفته‌اند. هنوز مشخص نیست این کدها در برابر خطاهای هم‌بسته تا چه اندازه عملکرد مناسبی دارند.
عثمان درباره ضرورت تحقیقات بیشتر گفت:
پیش از آنکه بتوانیم درباره موفقیت یا شکست اصلاح خطای کوانتومی ادعای قطعی مطرح کنیم، هنوز باید تحقیقات و بررسی‌های بسیار بیشتری انجام دهیم.
ایوان پوپ نیز معتقد است کدهای اصلاح خطا قابلیت سازگاری با خطاهای غیرمارکوفی را دارند و باید برای مقابله با این نوع خطاها توسعه پیدا کنند.
او گفت:
کدهای اصلاح خطا می‌توانند خود را با خطاهای غیرمارکوفی تطبیق دهند و ناچار خواهند بود این سازگاری را به دست آورند.
نیکلاس گاسلینگ، همکار پوپ در مؤسسه فناوری کارلسروهه، معتقد است روش اندازه‌گیری جدید آن‌ها می‌تواند در این مسیر مؤثر باشد؛ زیرا به گروه‌های پژوهشی دیگر امکان می‌دهد اثرات حافظه را در دستگاه‌های خود شناسایی کنند و راهکارهایی برای کاهش یا دور زدن آن‌ها بیابند.
جان فیدل کام نیز می‌گوید می‌توان با اصلاح الگوریتم‌های متداول رایانه‌ای که وظیفه کنترل رایانه‌های کوانتومی و خواندن خروجی آن‌ها را بر عهده دارند، بخشی از خطاهای هم‌بسته را کاهش داد.
بنابراین، راهکارهای مختلفی برای مقابله با این دسته از خطاهای نادیده‌گرفته‌شده وجود دارد. پژوهشگرانی که این مسئله را بررسی می‌کنند، معتقدند هنوز با یک مشکل حل‌نشدنی روبه‌رو نشده‌ایم؛ به شرط آنکه اهمیت آن جدی گرفته شود.
پوپ در پایان گفت:
تا همین اواخر، این مسئله اصلاً در کانون توجه بسیاری از پژوهشگران قرار نداشت.