Calculare cuantică este de așteptat să lase calculul clasic în praf atunci când vine vorba de rezolvarea unora dintre cele mai dificile probleme din lume. Cele mai bune mașini cuantice astăzi au o slăbiciune majoră, cu toate acestea-sunt incredibil de predispuse la erori.
Acesta este motivul pentru care domeniul face curse pentru a dezvolta și implementa scheme cuantice de corecție a erorilor (QEC) pentru a atenua nerețeaua inerentă a tehnologiei. Aceste abordări implică construirea concedierilor în modul în care informațiile sunt codificate în Qubits de calculatoare cuantice, astfel încât dacă câteva erori se încadrează în calcule, întregul calcul nu este deraiat. Fără nicio corecție suplimentară de eroare, rata de eroare a qubit -urilor este de aproximativ 1 în 1.000 față de 1 din 1 milion de biți de calcul clasic.
Proprietățile neobișnuite ale Mecanica cuantică Cu toate acestea, faceți acest lucru considerabil mai complicat decât corectarea erorilor în sistemele clasice. Implementarea acestor tehnici la o scară practică va necesita, de asemenea, computere cuantice mult mai mari decât dispozitivele de top de astăzi.
Dar domeniul a înregistrat progrese semnificative în ultimii ani, culminând cu un rezultat de reper al echipei de calcul cuantice Google în decembrie trecut. Compania a dezvăluit un nou Procesor cuantic numit Willow Acest lucru a furnizat primele dovezi concludente conform cărora QEC se poate extinde până la dimensiunile mari ale dispozitivului necesare pentru a rezolva probleme practice.
„Este un reper în care arată pentru prima dată că QEC funcționează efectiv”, Joschka Roffeun coleg de inovație la Universitatea din Edinburgh și autorul unui Studiul 2019 privind corectarea erorilor cuanticea spus Live Science. „Mai este un drum lung de parcurs, dar acesta este un fel de primul pas, o dovadă a conceptului.”
De ce avem nevoie de corectarea erorilor cuantice?
Calculatoarele cuantice pot valorifica fenomenele cuantice exotice, cum ar fi îmbrăcăminte și superpoziția pentru a codifica datele eficient și a proceselor în paralel, mai degrabă decât în secvențe precum calculatoarele clasice. Ca atare, puterea de procesare crește exponențial cu cât adăugați mai multe qubits la un sistem pentru anumite tipuri de probleme. Dar aceste stări cuantice sunt în mod inerent fragile și chiar cea mai mică interacțiune cu mediul lor le poate determina să se prăbușească.
De aceea, computerele cuantice merg la lungimi mari pentru a -și separa qubiturile de tulburările externe. Acest lucru se face în mod normal prin menținerea lor la temperaturi ultra-scăzute sau într-un vid-sau prin codificarea lor în fotoni care interacționează slab cu mediul înconjurător.
Dar chiar și atunci, erorile se pot strecura și apar la rate mult mai mari decât în dispozitivele clasice. Operațiunile logice în procesorul cuantic de ultimă generație al Google eșuează cu o rată de aproximativ 1 din 100, spune Roffe.
„Trebuie să găsim o modalitate de a pune acest Golf, astfel încât să putem folosi de fapt computere cuantice pentru a rula unele dintre aplicațiile cu adevărat interesante pe care le -am propus pentru ele”, a spus el.
Schemele QEC se bazează pe idei dezvoltate în anii 1940 pentru calculatoarele timpurii, care erau mult mai nesigure decât dispozitivele de astăzi. Jetoanele moderne nu mai au nevoie de corectarea erorilor, dar aceste scheme sunt încă utilizate pe scară largă în sistemele de comunicații digitale care sunt mai sensibile la zgomot.
Ei lucrează construind redundanța în informațiile transmise. Cel mai simplu mod de a implementa acest lucru este să trimiteți pur și simplu același mesaj de mai multe ori, a spus Roffe, ceva cunoscut sub numele de cod de repetare. Chiar dacă unele copii prezintă erori, receptorul poate rezolva care a fost mesajul, analizând informațiile care se repetă cel mai adesea.
Dar această abordare nu se traduce perfect în lumea cuantică, spune Roffe. Statele cuantice utilizate pentru a codifica informațiile într -un computer cuantic se prăbușesc dacă există vreo interacțiune cu mediul extern, inclusiv atunci când se face o încercare de măsurare a acestora. Aceasta înseamnă că este imposibil să creezi o copie a unei stări cuantice, ceva cunoscut sub numele de „Teorema fără clonare„Drept urmare, cercetătorii au fost nevoiți să vină cu mai multe scheme elaborate pentru a se construi în concediere.
Ce este un qubit logic și de ce este atât de important?
Unitatea fundamentală a informațiilor dintr -un computer cuantic este un qubit, care poate fi codat într -o varietate de sisteme fizice, inclusiv circuite superconductoare, ioni prinși, atomi neutri și fotoni (particule de lumină). Aceste așa-numite „qubituri fizice” sunt în mod inerent predispuse la erori, dar este posibil să răspândiți o unitate de informații cuantice pe mai multe dintre ele folosind Fenomenul cuantic al înțelegerii.
Aceasta se referă la o situație în care stările cuantice a două sau mai multe particule sunt legate intrinsec între ele. Prin integrarea mai multor qubits fizice, este posibil să codificăm o singură stare cuantică partajată în toate acestea, spune Roffe, ceva cunoscut sub numele de „qubit logic”. Răspândirea informațiilor cuantice în acest fel creează redundanță, astfel încât, chiar dacă câteva qubituri fizice experimentează erori, informațiile generale nu se pierd.
Cu toate acestea, procesul de detectare și corectarea oricăror erori este complicat de faptul că nu puteți măsura în mod direct stările qubit -urilor fizice fără a le determina să se prăbușească. „Deci trebuie să fii mult mai inteligent în ceea ce măsori de fapt”, Dominic Williamsona spus un membru al personalului de cercetare la IBM Science. „Vă puteți gândi la asta ca măsurând relația dintre [the qubits] în loc să le măsurați individual. „
Acest lucru se face folosind o combinație de „qubit de date” care codifică informațiile cuantice și „Qubits Ancilla” care sunt responsabile de detectarea erorilor în aceste qubits, spune Williamson. Fiecare qubit Ancilla interacționează cu un grup de qubits de date pentru a verifica dacă suma valorilor lor este ciudată sau chiar fără a măsura direct stările lor individuale.
Dacă a apărut o eroare și valoarea unuia dintre qubit -urile de date s -a schimbat, rezultatul acestui test va flip, ceea ce indică faptul că a apărut o eroare în grupul respectiv. Algoritmii clasici sunt folosiți pentru a analiza măsurători de la mai multe qubits Ancilla pentru a identifica locația defectului. După ce acest lucru este cunoscut, o operație poate fi efectuată pe qubit -ul logic pentru a remedia eroarea.
Care sunt principalele abordări de corectare a erorilor?
În timp ce toate schemele QEC împărtășesc acest proces, specificul pot varia considerabil. Cea mai studiată familie de tehnici sunt cunoscute sub numele de „coduri de suprafață”, care răspândesc un qubit logic pe o rețea 2D de qubit-uri de date intercalate cu Qubits Ancilla. Codurile de suprafață sunt potrivite pentru computerele cuantice bazate pe circuit superconductor care sunt dezvoltate de Google și IBM, ale căror qubituri fizice sunt aranjate exact în acest tip de grilă.
Dar fiecare ancilla qubit poate interacționa doar cu qubiturile de date direct vecine, ceea ce este ușor de inginer, dar relativ ineficient, a spus Williamson. Se prevede că, folosind această abordare, fiecare qubit logic va necesita aproximativ 1.000 de persoane fizice, adaugă el.
Acest lucru a dus la un interes din ce în ce mai mare pentru o familie de scheme QEC cunoscute sub numele de coduri de verificare a parității cu densitate joasă (LDPC), a spus Williamson. Acestea se bazează pe interacțiuni cu rază mai lungă între qubits, ceea ce ar putea reduce semnificativ numărul total necesar. Singura problemă este că conectarea fizică a qubit -urilor pe distanțe mai mari este dificilă, deși este mai simplu pentru tehnologii precum atomii neutri și ionii prinși, în care qubiturile fizice pot fi mișcate fizic.
O condiție prealabilă pentru obținerea oricăreia dintre aceste scheme, spune, însă, Roffe, reduce rata de eroare a Qubits -ului individual sub un prag crucial. Dacă hardware -ul de bază este prea nesigur, erorile se vor acumula mai repede decât schema de corecție a erorilor le poate rezolva, indiferent de câte qubits adăugați la sistem. În schimb, dacă rata de eroare este suficient de scăzută, adăugarea mai multor qubits la sistem poate duce la o îmbunătățire exponențială a suprimării erorilor.
Recentul Google Paper a furnizat primele dovezi convingătoare că aceasta este la îndemână. Într-o serie de experimente, cercetătorii și-au folosit cipul de salcie de 105 qubit pentru a rula un cod de suprafață pe tablouri de qubit din ce în ce mai mari. Ei au arătat că de fiecare dată când au ridicat numărul de qubits, rata de eroare a redus la jumătate.
„Vrem să putem fi capabili să suprimăm rata de eroare cu un factor de trilioane sau ceva, astfel încât să mai existe un drum lung de parcurs”, a spus Roffe pentru Live Science. „Dar sperăm că acest lucru deschide calea pentru coduri de suprafață mai mari, care suprimă în mod semnificativ ratele de eroare până la punctul în care putem face ceva util.”
Comentarii recente