أنماط البلاط غير المتكررة يمكنها حماية المعلومات الكمومية

هذه الهشاشة الشديدة قد تجعل الحوسبة الكمومية تبدو ميؤوس منها. لكن في عام 1995، اكتشف عالم الرياضيات التطبيقية بيتر شور طريقة ذكية لتخزين المعلومات الكمومية. كان لترميزه خاصيتين رئيسيتين. أولاً، يمكنه تحمل الأخطاء التي تؤثر فقط على الكيوبتات الفردية. ثانيًا، جاء مع إجراء لتصحيح الأخطاء عند حدوثها، ومنعها من التراكم وإخراج العملية الحسابية عن مسارها. كان اكتشاف شور هو المثال الأول لشفرة تصحيح الأخطاء الكمومية، وخصائصها الرئيسية هي السمات المميزة لجميع هذه الرموز.

الخاصية الأولى تنبع من مبدأ بسيط: المعلومات السرية تكون أقل عرضة للخطر عندما يتم تقسيمها. وتستخدم شبكات التجسس استراتيجية مماثلة. يعرف كل جاسوس القليل جدًا عن الشبكة ككل، لذا تظل المنظمة آمنة حتى لو تم القبض على أي فرد. لكن رموز تصحيح الأخطاء الكمومية تأخذ هذا المنطق إلى أقصى الحدود. في شبكة التجسس الكمي، لن يعرف أي جاسوس أي شيء على الإطلاق، ومع ذلك سيعرفون الكثير معًا.

كل كود لتصحيح الأخطاء الكمومية هو وصفة محددة لتوزيع المعلومات الكمومية عبر العديد من الكيوبتات في حالة تراكب جماعي. يحول هذا الإجراء بشكل فعال مجموعة من البتات الكمومية المادية إلى كيوبت افتراضي واحد. كرر العملية عدة مرات باستخدام مجموعة كبيرة من الكيوبتات، وستحصل على العديد من الكيوبتات الافتراضية التي يمكنك استخدامها لإجراء العمليات الحسابية.

إن الكيوبتات المادية التي تشكل كل كيوبت افتراضي تشبه تلك الجواسيس الكمومية الغافلة. قم بقياس أي واحد منها ولن تعرف شيئًا عن حالة الكيوبت الافتراضي الذي يعد جزءًا منه، وهي خاصية تسمى عدم القدرة على التمييز المحلي. نظرًا لأن كل بت كمي فعلي لا يشفر أي معلومات، فإن الأخطاء في البتات الكمومية الفردية لن تفسد العملية الحسابية. المعلومات المهمة موجودة في كل مكان بطريقة أو بأخرى، ولكن ليس في أي مكان على وجه الخصوص.

وقال كوبيت: “لا يمكنك ربطها بأي كيوبت فردي”.

يمكن لجميع رموز تصحيح الأخطاء الكمومية استيعاب خطأ واحد على الأقل دون أي تأثير على المعلومات المشفرة، لكنها ستستسلم جميعًا في النهاية مع تراكم الأخطاء. وهنا تبدأ الخاصية الثانية لرموز تصحيح الأخطاء الكمومية، وهي تصحيح الخطأ الفعلي. ويرتبط هذا ارتباطًا وثيقًا بعدم القدرة على التمييز المحلي: نظرًا لأن الأخطاء في البتات الكمومية الفردية لا تدمر أي معلومات، فمن الممكن دائمًا عكس أي خطأ باستخدام الإجراءات المعمول بها الخاصة بكل رمز.

اتخذت لركوب

كان زهي لي ـ باحث ما بعد الدكتوراه في المعهد المحيطي للفيزياء النظرية في واترلو بكندا ـ ضليعًا في نظرية تصحيح الخطأ الكمي. لكن الموضوع كان بعيدًا عن ذهنه عندما بدأ محادثة مع زميله لاثام بويل. كان ذلك في خريف عام 2022، وكان الفيزيائيان في رحلة مكوكية مسائية من واترلو إلى تورونتو. كان بويل، وهو خبير في أعمال التبليط غير الدورية وعاش في تورونتو في ذلك الوقت ويعمل الآن في جامعة إدنبرة، وجهًا مألوفًا في تلك الرحلات المكوكية، التي غالبًا ما تتعثر في حركة المرور الكثيفة.

قال بويل: “في العادة يمكن أن يكونوا بائسين للغاية”. “كان هذا بمثابة الأعظم على الإطلاق.”

قبل ذلك المساء المشؤوم، كان لي وبويل على علم بعمل بعضهما البعض، لكن مجالات بحثهما لم تتداخل بشكل مباشر، ولم يسبق لهما إجراء محادثة فردية. ولكن مثل عدد لا يحصى من الباحثين في مجالات غير ذات صلة، كان لي مهتمًا بالبلاط غير الدوري. قال: “من الصعب جدًا ألا تكون مهتمًا”.