Calculatoare cuantice care sunt mai puternice decât cele mai rapide supercalculatoare ar putea fi mai aproape decât au prezis experții, susțin cercetătorii de la startup-ul Nord Quantique.
Acest lucru se datorează faptului că compania a construit un qubit fizic individual de corectare a erorilor care ar putea reduce dramatic numărul de qubiți necesari pentru a obține avantajul cuantic (care este locul în care computerele cuantice sunt cu adevărat utile).
În cele din urmă, acest lucru ar putea duce la o mașină care atinge supremația cuantică – unde un computer cuantic este mai puternic decât computerele clasice.
Spre deosebire de biții clasici care codifică datele ca 1 sau 0, qubiții se bazează pe legile lui mecanica cuantică pentru a obține „coerență” și a codifica datele ca o suprapunere de 1 sau 0 – ceea ce înseamnă că datele sunt codificate în ambele stări simultan.
În calculatoare cuanticemai mulți qubiți pot fi cusuți împreună legatura cuantica — unde qubiții pot partaja aceleași informații, indiferent cât de departe sunt separați în timp sau spațiu — pentru a procesa calculele în paralel, în timp ce computerele clasice pot procesa calculele numai în secvență.
Dar qubiții sunt „zgomotoși”, ceea ce înseamnă că sunt foarte predispuși la interferențe din mediul lor, cum ar fi schimbările de temperatură, ceea ce duce la rate mari de eroare. Din acest motiv, adesea trebuie să fie răcite până aproape zero absolutdar chiar și atunci pot cădea în „decoerență” la jumătatea calculelor și eșuează din cauza unor factori externi.
Această rată mare de eroare înseamnă că un computer cuantic ar trebui să aibă milioane de qubiți pentru a obține supremația cuantică. Dar cele mai puternice computere cuantice de astăzi conțin doar 1.000 de qubiți.
Acesta este motivul pentru care cercetarea este concentrată în mare măsură pe reducerea ratei de eroare de qubit. O modalitate de a reduce erorile este construirea unui „qubit logic”, în care mai mulți qubits sunt încurcați pentru a se comporta ca un qubit eficient, fără erori în timpul calculelor. Aceasta se bazează pe redundanță – un concept în informatică în care aceleași date sunt stocate în mai multe locuri.
Un qubit fizic care se comportă ca un qubit logic
Oamenii de știință de la Nord Quantique au adoptat o abordare diferită, proiectând în schimb un qubit fizic individual, apoi aplicând „coduri bosonice” în timpul funcționării pentru a reduce erorile la nivel individual de qubit. Ei și-au subliniat concluziile într-un studiu publicat pe 12 aprilie în jurnal Scrisori de revizuire fizică. Codurile bosonice sunt coduri de corectare a erorilor concepute special pentru sistemele care utilizează moduri bosonice – cum ar fi fotonii. Ei exploatează proprietățile cuantice ale bosonilor pentru a proteja informațiile împotriva erorilor.
Oamenii de știință de la Nord Quantique au construit un „qubit bosonic”, care are aproximativ dimensiunea unei nuci, din până la 10 fotoni de microunde, sau particule luminoase, care rezonează într-o cavitate de aluminiu supraconductoare extrem de pură – care este răcită aproape de zero absolut.
Codurile bosonice au fost apoi aplicate în timp ce calculele erau în desfășurare pentru a corecta două tipuri de erori cuantice – „biți-flips”, sau când 0 și 1 sunt citite unul ca altul; și „fază-inversări”, când probabilitatea ca un qubit să fie pozitiv sau negativ este inversată.
Codurile lor bosonice au extins timpul de coerență al qubitilor individuali cu 14%, ceea ce oamenii de știință au spus că este cel mai bun rezultat până în prezent. Simulările au arătat, de asemenea, că corectarea erorilor este nu numai viabilă, dar probabil că va fi mai puternică atunci când se adaugă qubits suplimentari la qubitul unic existent, au scris oamenii de știință în lucrarea lor.
Folosirea a doar sute de acești qubiți într-un computer cuantic ar putea duce la un avantaj cuantic – mai degrabă decât milioanele de qubiți pe care oamenii de știință au crezut anterior că vom avea nevoie, coautor al studiului și director de tehnologie al Nord Quantique, Julien Camirand Lemyre, a spus Live Science. Durata de viață crescută a qubitului, datorită designului, cuplată cu viteze de ceas operaționale revendicate de până la 1.000 de ori mai mari decât mașinile comparabile, înseamnă că pot fi efectuate mult mai multe calcule în această fereastră scurtă. Înseamnă că „supratenția” a qubiților redundanți nu este necesară față de o mașină care nu utilizează corecția erorilor sau chiar una cu qubiți logici.
Cursa pentru a construi un computer cuantic fără defecte
Alte companii, precum Quantinuum și QuEra, folosesc abordări diferite pentru a reduce rata de eroare, dar majoritatea se bazează pe qubiți logici. Lemyre a susținut că abordarea companiei sale este mai bună decât această metodă de „forță brută”.
„Abordarea Nord Quantique de a construi qubiți implică construirea redundanței necesare pentru corectarea erorilor direct în hardware-ul care alcătuiește fiecare qubit fizic. Deci, într-un fel, transformăm qubiții fizici în qubiți logici printr-o combinație a arhitecturii noastre unice și utilizarea a ceea ce numim coduri bosonice”, a spus Lemyre.
Totuși, obstacolele în calea supremației cuantice rămân. Lemyre a remarcat că calculatoarele cuantice mai mari vor avea nevoie de „o mână de qubiți fizici” pentru a corecta puținele erori pe care codurile bosonice le scapă.
Următorul pas al companiei este să termine construirea unui sistem, așteptat până în toamna acestui an, cu mai mulți qubiți fizici care corectează erorile. Dacă totul merge conform planului, Nord Quantique speră să lanseze un computer cuantic cu aproximativ 100 dintre acești qubiți până în 2028, a spus Lemyre.