Calculatorul cuantic efectuează operații rezistente la erori cu qubiți logici

Există un acord larg că cel mai util calcul cuantic va trebui să aștepte dezvoltarea qubiților corectați de erori. Corectarea erorilor implică distribuirea unui pic de informații cuantice – numită qubit logic – între o mică colecție de qubits hardware. Dezacordurile se concentrează în cea mai mare parte pe cel mai bun mod de implementare a acestuia și pe cât timp va dura.

Un pas cheie către acel viitor este descris într-o lucrare publicată astăzi în Nature. O echipă mare de cercetători, cu sediul în principal la Universitatea Harvard, a demonstrat acum capacitatea de a efectua mai multe operații pe până la 48 de qubiți logici. Lucrarea arată că sistemul, care împărtășește o moștenire cu sistemul de calcul cuantic realizat de compania QuEra, poate identifica corect apariția erorilor, iar acest lucru poate îmbunătăți semnificativ rezultatele calculelor.

Yuval Boger, directorul de marketing al QuEra, a declarat pentru Ars: „Considerăm că este o piatră de hotar foarte importantă pe calea către unde ne dorim cu toții să ajungem, adică computerele cuantice la scară largă, tolerante la erori.

Captarea și remedierea erorilor

Algoritmii cuantici complecși pot necesita ore de menținere și manipulare a informațiilor cuantice, iar qubiții hardware existenți nu vor ajunge vreodată la punctul în care sunt capabili să gestioneze asta fără a provoca erori. Soluția general acceptată pentru aceasta este să lucrați cu qubiți logici care corectează erorile. Acestea implică distribuirea de qubiți individuali într-o colecție de qubiți hardware, astfel încât o eroare într-unul dintre acești qubiți să nu distrugă complet informațiile.

Qubiții suplimentari pot adăuga corectarea erorilor acestor qubiți logici. Aceștia sunt legați de qubiții hardware care dețin qubiții logici, permițând monitorizarea stării acestora într-un mod care va identifica când au apărut erori. Manipularea acestor qubiți suplimentari îi poate readuce la starea care a fost pierdută când s-a produs eroarea.

În teorie, această corecție a erorilor poate permite hardware-ului să mențină stări cuantice mult mai mult decât sunt capabili qubiții hardware individuali.

Compensația este o complexitate și un număr de qubit crescut semnificativ. Acesta din urmă ar trebui să fie evident – ​​dacă fiecare qubit logic necesită o duzină de qubiți, atunci aveți nevoie de mult mai mulți qubiți hardware pentru a rula orice algoritm. Corectarea completă a erorilor ar necesita, de asemenea, măsurători repetate pentru a identifica când au apărut erori, pentru a identifica tipul de eroare și pentru a efectua corecțiile necesare. Și toate acestea ar trebui să se întâmple în timp ce qubiții logici sunt utilizați și pentru rularea acelor algoritmi.

Există, de asemenea, aspectele practice reale ale punerii în funcțiune a tuturor acestor lucruri. Este foarte ușor (prin o definiție foarte relaxată a „ușor”) să înțelegeți cum să efectuați operațiuni pe perechi de qubiți hardware. Este mult mai dificil de înțeles cum să le faci atunci când orice qubit hardware individual deține, cel mult, doar o fracțiune dintr-un qubit logic. Adăugând la complexitate, există o varietate de scheme potențiale de corectare a erorilor și încă ne aflăm compromisurile în ceea ce privește robustețea, comoditatea și utilizarea qubitului.

Asta nu înseamnă că nu au fost progrese. Qubiți corectați de eroare au fost demonstrateși mențin informațiile cuantice mai bine decât qubiții hardware care le găzduiesc. Și, în câteva cazuri, operațiile cuantice individuale (numite porți) au fost demonstrate folosind perechi de qubiți logici. Și două companii (Atom Computing și IBM) au crescut numărul de qubiți pentru a oferi suficient hardware pentru a găzdui o mulțime de qubiți logici.

Introduceți QuEra

La fel ca Atom Computing, hardware-ul pe care s-a bazat echipa Harvard folosește atomi neutri (QuEra, care este un startup izvorât din munca acelui laborator, folosește tehnologia suprapusă). Qubiții atomici neutri au mai multe caracteristici atrăgătoare. Informația cuantică este stocată în spinul nuclear al atomilor individuali, care este relativ stabil în ceea ce privește menținerea informațiilor cuantice. Și, deoarece fiecare atom al unui izotop dat este echivalent, nu există nicio variație de la dispozitiv la dispozitiv, deoarece există în qubiți bazați pe hardware supraconductor. Atomii individuali pot fi tratați cu lasere în loc să aibă nevoie de cablare, iar atomii pot fi mutați, permițând posibil ca orice qubit să fie legat de oricare altul.

Hardware-ul folosit pentru această lucrare acceptă până la 280 de qubiți bazați pe atom. Operațiunile sale au mutat acești atomi printre mai multe regiuni funcționale. Una este pur și simplu stocarea, unde qubiții trăiesc atunci când nu sunt manipulați sau măsurați. Acesta deține atât orice qubiți logici în uz, cât și un grup de qubiți neutilizați care pot fi mobilizați pe parcursul executării unui algoritm. Există, de asemenea, o „zonă de încurcare” în care au loc acele manipulări și o zonă de citire în care starea qubiților individuali poate fi măsurată fără a perturba qubiții în altă parte a hardware-ului.