Progresul calculului cuantic: temperaturi mai ridicate, corectare mai bună a erorilor

Există un consens puternic că abordarea celor mai utile probleme cu un computer cuantic va necesita ca computerul să fie capabil să corecteze erorile. Cu toate acestea, nu există absolut un consens cu privire la ce tehnologie ne va permite să realizăm acest lucru. Un număr mare de companii, inclusiv jucători importanți precum Microsoft, Intel, Amazon și IBM, s-au angajat cu diferite tehnologii pentru a ajunge acolo, în timp ce o colecție de startup-uri explorează o gamă și mai largă de soluții potențiale.

Probabil că nu vom avea o imagine mai clară a ceea ce este probabil să funcționeze timp de câțiva ani. Dar vor exista o mulțime de lucrări interesante de cercetare și dezvoltare între acum și atunci, dintre care unele pot reprezenta în cele din urmă repere cheie în dezvoltarea calculului cuantic. Pentru a vă oferi o idee despre această activitate, vom analiza trei lucrări care au fost publicate în ultimele două săptămâni, fiecare dintre ele abordând un aspect diferit al tehnologiei de calcul cuantic.

Chestii fierbinți

Corectarea erorilor va necesita conectarea mai multor qubiți hardware pentru a acționa ca o singură unitate numită qubit logic. Acest lucru răspândește un singur bit de informații cuantice pe mai mulți qubiți hardware, făcându-l mai robust. Qubiții suplimentari sunt utilizați pentru a monitoriza comportamentul celor care dețin datele și pentru a efectua corecții după cum este necesar. Unele scheme de corectare a erorilor necesită peste o sută de qubiți hardware pentru fiecare qubit logic, ceea ce înseamnă că am avea nevoie de zeci de mii de qubiți hardware înainte de a putea face ceva practic.

Un număr de companii s-au uitat la această problemă și au decis că știm deja cum să creăm hardware la acea scară – doar uită-te la orice cip de siliciu. Deci, dacă am putea grava qubiți utili prin aceleași procese pe care le folosim pentru a face procesoarele actuale, atunci scalarea nu ar fi o problemă. De obicei, acest lucru a însemnat fabricarea de puncte cuantice pe suprafața cipurilor de siliciu și utilizarea acestora pentru a stoca electroni unici care pot ține un qubit în spinul lor. Restul cipului conține circuite mai tradiționale care efectuează inițierea, controlul și citirea qubitului.

Acest lucru creează o problemă notabilă. La fel ca multe alte tehnologii qubit, punctele cuantice trebuie menținute sub 1 Kelvin pentru a împiedica mediul să interfereze cu qubitul. Și, după cum știe oricine care a deținut vreodată un laptop bazat pe x86, toate celelalte circuite de pe siliciu generează căldură. Deci, există perspectiva foarte reală că încercarea de a controla qubiții va crește temperatura până la punctul în care qubiții nu își pot menține starea.

S-ar putea să nu fie problema la care ne-am gândit, conform unor lucrări publicate în Wednesday’s Nature. O echipă internațională mare, care include oameni de la startup-ul Diraq, a demonstrat că un procesor cu punct cuantic de siliciu poate funcționa bine la temperatura relativ prăjită de 1 Kelvin, în creștere față de miliKelvin obișnuit la care funcționează în mod normal aceste procesoare.

Lucrarea a fost realizată pe un prototip de doi qubiți realizat cu materiale care au fost alese special pentru a îmbunătăți toleranța la zgomot; procedura experimentală a fost de asemenea optimizată pentru a limita erorile. Echipa a efectuat apoi operațiuni normale începând de la 0,1 K și a crescut treptat temperaturile la 1,5 K, verificând performanța în timp ce făceau acest lucru. Ei au descoperit că o sursă majoră de erori, pregătirea și măsurarea stării (SPAM), nu s-a schimbat dramatic în acest interval de temperatură: „SPAM-ul în jurul valorii de 1 K este comparabil cu cel la temperaturi milikelvin și rămâne operabil cel puțin până la 1,4 K”.

Ratele de eroare pe care le vedeau depindeau de starea pe care o pregăteau. O anumită stare (ambele spin-up) a avut o fidelitate de peste 99 la sută, în timp ce restul au fost mai puțin constrânse, undeva peste 95 la sută. Statele au avut o viață de peste o milisecundă, ceea ce se califică drept longeviv în lumea cuantică.

Toate acestea sunt destul de bune și sugerează că cipurile pot tolera temperaturi rezonabile de funcționare, ceea ce înseamnă că circuitele de control pe cip pot fi utilizate fără a cauza probleme. Ratele de eroare ale qubiților hardware sunt încă mult peste cele care ar fi necesare pentru ca corectarea erorilor să funcționeze. Cu toate acestea, cercetătorii sugerează că au identificat procese de eroare care pot fi compensate. Ei se așteaptă ca abilitatea de a face producție la scară industrială va duce în cele din urmă la hardware funcțional.