Lucrarea nouă oferă o imagine bună asupra locului în care se află câmpul în prezent.
Demo-ul tehnologic de prima generație a hardware-ului Atom. Lucrurile au progresat considerabil de atunci. Credit: Atom Computing
În septembrie, Microsoft a făcut o combinație neobișnuită de anunțuri. Acesta a demonstrat progresul în ceea ce privește corectarea erorilor cuantice, ceva care va fi necesar pentru ca tehnologia să treacă mult dincolo de faza demo-ului interesantă, folosind hardware-ul unui startup de calcul cuantic numit Quantinuum. În același timp, totuși, compania a anunțat, de asemenea, că formează un parteneriat cu un alt startup, Atom Computing, care folosește o tehnologie diferită pentru a face qubiții disponibili pentru calcule.
Având în vedere asta, probabil că era inevitabil ca oamenii din Redmond, Washington, să dorească să arate că tehnici similare de corectare a erorilor ar funcționa și cu hardware-ul Atom Computing. Nu a durat mult, așa cum sunt cele două companii lansarea unui proiect de manuscris descriindu-și astăzi munca de corectare a erorilor. Lucrarea servește atât ca un rezumat bun al situației actuale în lumea corectării erorilor, cât și ca o privire bună la unele dintre caracteristicile distincte ale calculului folosind atomi neutri.
Atomi și erori
Deși avem diverse tehnologii care oferă o modalitate de stocare și manipulare a biților de informații cuantice, niciuna dintre ele nu poate fi operată fără erori. În prezent, erorile îngreunează efectua chiar și cele mai simple calcule care depășesc în mod clar capacitățile computerelor clasice. Algoritmii mai sofisticați ar întâmpina în mod inevitabil o eroare înainte de a putea fi finalizați, o situație care ar rămâne adevărată chiar dacă am putea îmbunătăți cumva ratele de eroare hardware ale qubiților cu un factor de 1.000 – ceva ce este puțin probabil să reușim vreodată să facem.
Soluția la aceasta este utilizarea a ceea ce se numesc qubiți logici, care distribuie informații cuantice pe mai mulți qubiți hardware și permit detectarea și corectarea erorilor atunci când apar. Deoarece mai mulți qubiți sunt legați împreună pentru a funcționa ca o singură unitate logică, rata de eroare hardware încă contează. Dacă este prea mare, atunci adăugarea mai multor qubiți hardware înseamnă doar că erorile vor apărea mai repede decât pot fi corectate.
Ne aflăm acum în punctul în care, pentru o serie de tehnologii, ratele de eroare hardware au depășit pragul de rentabilitate, iar adăugarea mai multor qubiți hardware poate reduce rata de eroare a unui qubit logic bazat pe aceștia. Aceasta a fost demonstrat folosind qubiți de atom neutru de un laborator academic de la Universitatea Harvard cu aproximativ un an în urmă. Noul manuscris demonstrează că funcționează și pe o mașină comercială de la Atom Computing.
Atomii neutri, care pot fi menținuți pe loc folosind o rețea de lumină laser, au o serie de avantaje distincte când vine vorba de calculul cuantic. Fiecare atom se va comporta identic, ceea ce înseamnă că nu trebuie să gestionați variabilitatea de la dispozitiv la dispozitiv, care este inevitabil cu qubiții electronici fabricați. Atomii pot fi, de asemenea, mutați, permițând oricărui atom să fie încurcat cu oricare altul. Această conectivitate orice la orice poate permite algoritmi și scheme de corectare a erorilor mai eficienți. Informația cuantică este de obicei stocată în spin-ul nucleului atomului, care este protejat de influențele mediului de către norul de electroni care îl înconjoară, făcându-i qubiți cu viață relativ lungă.
Operațiile, inclusiv porțile și citirea, sunt efectuate folosind lasere. Modul în care fizica functioneazadistanța dintre atomi determină modul în care laserul îi afectează. Dacă doi atomi se află la o distanță critică unul de celălalt, laserul poate efectua o singură operație, numită poartă de doi qubiți, care le afectează ambele stări. Oriunde în afara acestei distanțe, iar un laser afectează doar fiecare atom individual. Acest lucru permite un control fin asupra operațiunilor porții.
Acestea fiind spuse, operațiunile sunt relativ lente în comparație cu unii qubiți electronici, iar atomii pot fi ocazional pierduți în întregime. Capcanele optice care țin atomii în loc sunt, de asemenea, condiționate de faptul că atomul este în starea sa fundamentală; dacă vreun atom ajunge blocat într-o stare diferită, acesta va putea deriva și se va pierde. Acest lucru este de fapt oarecum util, prin aceea că transformă o stare neașteptată într-o eroare clară.
Sistemul Atom Computing. Rândurile de atomi sunt ținute suficient de departe, astfel încât un singur laser trimis peste ele (bara verde) operează numai pe atomi individuali. Dacă atomii sunt mutați în zona de interacțiune (bara roșie), un laser poate efectua porți pe perechi de atomi. Spațiile în care pot fi păstrați atomii pot fi lăsate goale pentru a evita efectuarea de operațiuni inutile. Credit: Reichardt, et al.
Mașina folosită în noua demonstrație găzduiește 256 dintre acești atomi neutri. Atom Computing le are aranjate în seturi de rânduri paralele, cu spațiu între ele pentru a permite atomilor să fie amestecați. Pentru porțile cu un singur qubit, este posibil să străluciți un laser peste rânduri, determinând fiecare atom pe care îl atinge să sufere această operație. Pentru porțile de doi qubiți, perechile de atomi sunt mutate până la capătul rândului și deplasați la o anumită distanță, moment în care un laser va face ca poarta să fie efectuată pe fiecare pereche prezentă.
Hardware-ul lui Atom permite, de asemenea, aducerea unei surse constante de noi atomi pentru a-i înlocui pe cei pierduți. Este, de asemenea, posibilă imaginea matricei de atomi între operații pentru a determina dacă s-au pierdut atomi și dacă alții sunt în stare greșită.
Este doar logic
Ca regulă generală, cu cât dedici mai mulți qubiți hardware fiecărui qubit logic, cu atât poți identifica mai multe erori simultane. Această identificare poate permite două moduri de tratare a erorii. În primul, pur și simplu aruncați orice calcul cu o eroare și începeți de la capăt. În al doilea, puteți utiliza informații despre eroare pentru a încerca să o remediați, deși reparația implică operațiuni suplimentare care pot declanșa o eroare separată.
Pentru această lucrare, echipa Microsoft/Atom a folosit qubiți logici relativ mici (însemnând că au folosit foarte puțini qubiți hardware), ceea ce a însemnat că ar putea încadra mai mulți dintre ei în 256 de qubiți hardware totali pe care mașina i-a pus la dispoziție. De asemenea, au verificat rata de eroare atât a detectării erorilor cu aruncare, cât și a detectării erorilor cu corectare.
Echipa de cercetare a făcut două demonstrații principale. Unul a fost plasarea a 24 dintre acești qubiți logici în ceea ce se numește o stare de pisică, numită după felina ipotetică a lui Schrödinger. Aceasta se întâmplă atunci când un obiect cuantic are simultan o probabilitate diferită de zero de a fi în două stări care se exclud reciproc. În acest caz, cercetătorii au plasat 24 de qubiți logici într-o stare de pisică încurcată, cel mai mare ansamblu de acest fel creat până acum. Separat, au implementat ceea ce se numește algoritmul Bernstein-Vazirani. Versiunea clasică a acestui algoritm necesită interogări individuale pentru a identifica fiecare bit dintr-un șir al acestora; versiunea cuantică obține întregul șir cu o singură interogare, așa că este un caz notabil de ceva în care este posibilă o accelerare cuantică.
Ambele au prezentat un model similar. Când se face direct pe hardware, fiecare qubit fiind un singur atom, a existat o rată de eroare apreciabilă. Prin detectarea erorilor și eliminarea acestor calcule acolo unde au apărut, a fost posibilă îmbunătățirea semnificativă a ratei de eroare a calculelor rămase. Rețineți că acest lucru nu elimină erorile, deoarece este posibil ca mai multe erori să apară simultan, modificând valoarea qubitului fără a lăsa o indicație care poate fi observată cu acești qubiti logici mici.
Aruncarea are limitele ei; pe măsură ce calculele devin din ce în ce mai complexe, implicând mai mulți qubiți sau operațiuni, va însemna inevitabil că fiecare calcul va avea o eroare, așa că ați ajunge să doriți să aruncați totul. De aceea, în cele din urmă, va trebui să corectăm erorile.
În aceste experimente, totuși, procesul de corectare a erorii – luarea unui atom complet nou și punerea lui în starea potrivită – a fost, de asemenea, predispus la erori. Deci, deși s-a putut face, a ajuns să aibă o rată generală de eroare care a fost intermediară între abordarea de captare și eliminare a erorilor și rata când operațiunile au fost efectuate direct pe hardware.
În cele din urmă, hardware-ul actual are o rată de eroare suficient de bună încât corectarea erorilor îmbunătățește de fapt probabilitatea ca un set de operațiuni să poată fi efectuat fără a produce o eroare. Dar nu este suficient de bun încât să putem efectua genul de operațiuni complexe care ar conduce computerele cuantice să aibă un avantaj în calcule utile. Și asta nu este valabil doar pentru hardware-ul lui Atom; lucruri similare pot fi spuse pentru alte demonstrații de corectare a erorilor făcute pe diferite mașini.
Există două moduri de a depăși aceste limite actuale. Una este pur și simplu îmbunătățirea ratelor de eroare ale qubiților hardware, deoarece mai puține erori totale fac mai probabil să le putem prinde și corecta. Al doilea este să creștem numărul de qubiți, astfel încât să putem găzdui qubiți logici mai mari și mai robusti. Evident, va trebui să facem ambele, iar parteneriatul Atom cu Microsoft a fost format în speranța că va ajuta ambele companii să ajungă mai repede acolo.
John este editorul științific al Ars Technica. Are o licență în arte în biochimie de la Universitatea Columbia și un doctorat. în biologie moleculară și celulară de la Universitatea din California, Berkeley. Când este separat fizic de tastatură, el tinde să caute o bicicletă sau o locație pitorească pentru a comunica cu ghetele de drumeție.
Comentarii recente