Designul qubit alternativ face corectarea erorilor în hardware

Putem repara asta –

Tehnologia în stadiu incipient are potențialul de a reduce qubiții necesari computerelor utile.

Există un consens general că efectuarea oricărui fel de algoritm complex pe hardware cuantic va trebui să aștepte sosirea qubiților corectați de eroare. Qubiții individuali sunt prea predispuși la erori pentru a fi de încredere pentru calcule complexe, așa că informațiile cuantice vor trebui distribuite pe mai mulți qubiți, permițând monitorizarea erorilor și intervenția atunci când acestea apar.

Dar majoritatea modalităților de a realiza acești „qubiți logici” necesari pentru corectarea erorilor necesită de la zeci la peste o sută de qubiți hardware individuali. Aceasta înseamnă că vom avea nevoie de oriunde de la zeci de mii la milioane de qubiți hardware pentru a face calcule. Hardware-ul existent a depășit pragul de 1.000 de qubit doar în ultima lună, astfel încât viitorul pare să fie în cel mai bun caz de câțiva ani.

Dar joi, o companie numită Nord Quantique a anunțat că a demonstrat corectarea erorilor folosind un singur qubit cu un design hardware distinct. Deși acest lucru are potențialul de a reduce considerabil numărul de qubiți hardware necesari pentru corectarea erorilor utile, demonstrația a implicat un singur qubit – compania nici măcar nu se așteaptă să demonstreze operațiunile pe perechi de qubiți până la sfârșitul acestui an.

Faceți cunoștință cu qubitul bosonic

Tehnologia care stă la baza acestei lucrări este numită qubit bosonic și nu sunt ceva nou; o companie de instrumente optice chiar are o listă de produse pentru cei care notează potențialul lor de utilizare în corectarea erorilor. Dar, deși conceptele din spatele utilizării lor în acest mod erau bine stabilite, demonstrațiile au rămas în urmă. Nord Quantique are acum a postat o lucrare în arXiv care detaliază o demonstrație a acestora reducând efectiv ratele de eroare.

Dispozitivele sunt structurate la fel ca un transmon, forma de qubit favorizată de greii tehnologiei precum IBM și Google. Acolo, informația cuantică este stocată într-o buclă de sârmă supraconductoare și este controlată de ceea ce se numește rezonator cu microunde – un mic material în care fotonii cu microunde se vor reflecta înainte și înapoi pentru un timp înainte de a se pierde.

Un qubit bosonic întoarce această situație peste cap. În acest hardware, informațiile cuantice sunt păstrate în fotoni, în timp ce firul supraconductor și rezonatorul controlează sistemul. Acestea sunt ambele conectate la o cavitate coaxială (gândiți-vă la o structură care, deși este microscopică, arată un pic ca capătul unui conector de cablu).

Simplificată masiv, informația cuantică este stocată în modul în care fotonii din cavitate interacționează. Starea fotonilor poate fi monitorizată prin rezonator/sârmă supraconductoare legată. Dacă ceva pare să fie defect, rezonatorul/firul supraconductor permite intervenții pentru a restabili starea inițială. Nu sunt necesari qubiți suplimentari. „O idee foarte simplă și de bază din spatele corectării erorilor cuantice este redundanța”, a declarat cofondatorul și CTO Julien Camirand Lemyre pentru Ars. „Un lucru despre rezonatoare și oscilatoare din circuitele supraconductoare este că puteți pune o mulțime de fotoni în interiorul rezonatoarelor. Și pentru noi, redundanța vine de acolo”.

Acest proces nu corectează toate erorile posibile, deci nu elimină nevoia de qubiți logici formați din mai mulți qubiți hardware de bază. În teorie, totuși, puteți surprinde cele mai comune două forme de erori la care sunt predispuși qubiții (inversări de biți și schimbări de fază).

În preprintul arXiv, echipa de la Nord Quantique a demonstrat că sistemul funcționează. Folosind un singur qubit și măsurând pur și simplu dacă își menține starea inițială, sistemul de corectare a erorilor poate reduce problemele cu 14%. Din păcate, fidelitatea generală este, de asemenea, scăzută, începând cu aproximativ 85 la sută, ceea ce este semnificativ sub ceea ce se vede în alte sisteme care au trecut prin ani de muncă de dezvoltare. Unii qubits au fost demonstrati cu o fidelitate de peste 99%.

Devenind competitiv

Deci, nu există nicio îndoială că Nord Quantique este cu mult în urma unui număr de lideri în calculul cuantic care pot efectua calcule (supuse la erori) cu zeci de qubiți și au rate de eroare mult mai mici. Din nou, munca lui Nord Quantique a fost realizată folosind un singur qubit – și fără a face niciuna dintre operațiunile necesare pentru a efectua un calcul.

Lemyre a spus lui Ars că, deși compania este mică, beneficiază de faptul că este un spin-out al Institut Quantique la Universitatea Sherbrooke din Canada, unul dintre cele mai importante centre de cercetare cuantică din Canada. Pe lângă faptul că are acces la expertiza de acolo, Nord Quantique folosește o unitate de fabricație la Sherbrooke pentru a-și fabrica hardware-ul.

Pe parcursul anului următor, compania se așteaptă să demonstreze că schema de corectare a erorilor poate funcționa în timp ce perechile de qubiți sunt utilizate pentru a efectua operațiuni de poartă, unitățile fundamentale de calcul. O altă prioritate mare este de a combina această corecție a erorilor bazată pe hardware cu scheme de qubit logice mai tradiționale, care ar permite să fie capturate și corectate tipuri suplimentare de erori. Acest lucru ar implica operațiuni cu o duzină sau mai mulți dintre acești qubiți bosonici la un moment dat.

Dar adevărata provocare va fi pe termen lung. Compania se bazează pe capacitatea hardware-ului său de a gestiona corectarea erorilor pentru a reduce numărul de qubiți necesari pentru calcule utile. Dar dacă concurenții săi pot mări numărul de qubiți suficient de rapid, menținând în același timp controlul și ratele de eroare necesare, asta ar putea să nu conteze în cele din urmă. Cu alte cuvinte, dacă Nord Quantique se află încă în intervalul de sute de qubiți până la momentul în care alte companii sunt de sute de mii, tehnologia sa ar putea să nu reușească chiar dacă are unele avantaje inerente.

Dar aceasta este partea distractivă a domeniului așa cum stau lucrurile: nu știm cu adevărat. O mână de tehnologii foarte diferite sunt deja în curs de dezvoltare și sunt promițătoare. Și există și alte seturi care sunt încă devreme în procesul de dezvoltare, dar se crede că au o cale mai lină de scalare la un număr util de qubiți. Toate vor trebui să se scaleze la un minim de zeci de mii de qubiți, permițând în același timp capacitatea de a efectua manipulări cuantice care erau știința de vârf cu doar câteva decenii în urmă.

În fundal se profilează simplul fapt că nu am încercat niciodată să scalam așa ceva în măsura în care va fi necesar. Obstacolele tehnice neprevăzute ar putea limita progresul la un moment dat în viitor.

În ciuda tuturor acestor lucruri, există oameni care susțin fiecare dintre aceste tehnologii și care știu mult mai multe despre mecanica cuantică decât știu eu vreodată. Este un timp distractiv.