Οι φυσικοί κάνουν ένα βασικό βήμα στη διόρθωση των σφαλμάτων του κβαντικού υπολογιστή

Όπως ένα παιδί που μαθαίνει μαθηματικά, οι επιστήμονες που αναπτύσσουν κβαντικούς υπολογιστές - μηχανές ονείρου που θα μπορούσαν να λύσουν προβλήματα που θα κατακλύζουν κάθε υπερυπολογιστή - μαθαίνουν να εντοπίζουν και να διορθώνουν τα λάθη τους. Στο τελευταίο βήμα, μια ομάδα έδειξε έναν τρόπο ανίχνευσης σφαλμάτων στη ρύθμιση ενός κβαντικού bit —ή qubit— που εγγυάται ότι δεν θα κάνει τα πράγματα χειρότερα. Αυτή η "ανοχή σφαλμάτων" είναι ένα απαραίτητο βήμα προς τον μεγάλο στόχο της διατήρησης λεπτών qubits έτσι ώστε να μπορούν να χειρίζονται επ' αόριστον.

«Φαίνεται σαν ένα πραγματικό ορόσημο», λέει ο Scott Aaronson, ένας θεωρητικός επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με την εργασία. «Ξέραμε ότι ήταν απλώς θέμα χρόνου μέχρι κάποιος να το κάνει αυτό». Ωστόσο, ο John Martinis, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, αμφισβητεί εάν οι συγγραφείς της νέας εργασίας μπορεί να υπερεκτιμούν αυτό που έχουν κάνει. «Είναι ένα πολύ ωραίο βήμα», λέει. "Αλλά είναι απλώς ένα βήμα."

Ένας συμβατικός υπολογιστής χειρίζεται μικροσκοπικούς ηλεκτρικούς διακόπτες, ή bits, που μπορούν να ρυθμιστούν είτε στο 0 είτε στο 1. ένας κβαντικός υπολογιστής χρησιμοποιεί qubits που μπορούν να ρυθμιστούν σε 0 και 1 ταυτόχρονα. Ένα qubit μπορεί να είναι, για παράδειγμα, ένα μικροσκοπικό κύκλωμα υπεραγώγιμου μετάλλου με δύο διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις. ή ένα μεμονωμένο ιόν που περιστρέφεται με τη μία, την άλλη, ή και τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Χάρη σε τέτοιες καταστάσεις αμφίδρομης ταυτόχρονης, ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να κωδικοποιήσει όλες τις πιθανές λύσεις σε ορισμένα προβλήματα όπως τα κβαντικά κύματα που περνούν μέσα από τα qubits. Οι παρεμβολές ακυρώνουν τις λάθος λύσεις και αναδεικνύεται η σωστή. Τέτοιες τεχνικές θα επέτρεπαν σε έναν μεγάλο κβαντικό υπολογιστή να συνυπολογίσει γρήγορα τεράστιους αριθμούς, κάτι που είναι δύσκολο για έναν συνηθισμένο υπολογιστή, και έτσι να σπάσει τα σχήματα κρυπτογράφησης που χρησιμοποιούνται για την προστασία των πληροφοριών στο Διαδίκτυο.

Ωστόσο, η παραμικρή παρεμβολή μπορεί να καταστρέψει την ευαίσθητη κατάσταση ενός qubit. Αν ήταν ένα qubit σαν ένα συνηθισμένο bit, οι ερευνητές θα μπορούσαν απλώς να κάνουν περιττά αντίγραφά του και να μετρήσουν την πλειοψηφία για να διατηρήσουν την κατάλληλη κατάσταση. Εάν ένα αντίγραφο αναποδογυρίσει, τότε αθροίζοντας διάφορα υποσύνολα των bit - τους λεγόμενους ελέγχους ισοτιμίας - θα αποκαλύψει ποιο. Αλλά η κβαντική θεωρία απαγορεύει την αντιγραφή της κατάστασης ενός qubit σε μια άλλη. Ακόμη χειρότερα, οποιαδήποτε προσπάθεια μέτρησης ενός qubit και να δούμε αν είναι στη σωστή κατάσταση, το κάνει να συμπτύσσεται είτε στο 0 είτε στο 1.

Οι ερευνητές ξεπερνούν αυτά τα προβλήματα εκμεταλλευόμενοι μια κβαντική σύνδεση που ονομάζεται εμπλοκή, η οποία τους επιτρέπει να διαδώσουν την κατάσταση ενός αρχικού «λογικού» qubit - του πράγματος που θα εκτελέσει τελικά την επιθυμητή λειτουργία - μεταξύ πολλών φυσικών qubit. Έτσι, για παράδειγμα, μια κατάσταση 0-και-1 ενός qubit μπορεί να εξαπλωθεί σε τρία qubits σε μια κατάσταση στην οποία και τα τρία είναι 0 και ταυτόχρονα και τα τρία είναι 1. Οι ερευνητές μπορούν στη συνέχεια να μπλέξουν περισσότερα βοηθητικά qubits με την ομάδα και, σε το κβαντικό ισοδύναμο των ελέγχων ισοτιμίας, μετρήστε τα βοηθητικά qubits για να εντοπίσετε σφάλματα στα κύρια qubits—χωρίς να τα αγγίξετε ποτέ.

Στην πραγματικότητα, το σχέδιο είναι πολύ πιο περίπλοκο, καθώς οι προγραμματιστές πρέπει να προστατεύονται από δύο διαφορετικούς τύπους σφαλμάτων, γνωστά ως ανατροπές bit και ανατροπές φάσης. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν σημειώσει πρόοδο. Τον Ιούνιο, ερευνητές της Google, οι οποίοι χρησιμοποιούν υπεραγώγιμα qubits, έδειξαν ότι θα μπορούσαν να μειώσουν τα περιστατικά του ενός ή του άλλου τύπου σφάλματος —αλλά όχι και των δύο ταυτόχρονα— εάν διαδώσουν ένα λογικό qubit σε έως και 11 φυσικά qubit με 10 ancillas.

Τώρα, ο Laird Egan και ο Christopher Monroe, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Maryland (UMD), το College Park και οι συνεργάτες του έχουν προχωρήσει ένα βήμα παραπέρα και επέδειξαν ένα σχήμα που διορθώνει ταυτόχρονα και τους δύο τύπους ανατροπών - και, επομένως, οποιοδήποτε σφάλμα. Τα qubits τους αποτελούνται από μεμονωμένα ιόντα υττερβίου παγιδευμένα σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια ενός τσιπ. Η ομάδα χρησιμοποίησε εννέα ιόντα για να κωδικοποιήσει ένα μόνο λογικό qubit και τέσσερα ακόμη βοηθητικά για να παρακολουθεί τα κύρια.

Το πιο σημαντικό, το κωδικοποιημένο λογικό qubit απέδωσε καλύτερα από τα φυσικά από τα οποία εξαρτάται, τουλάχιστον κατά κάποιο τρόπο. Για παράδειγμα, οι ερευνητές κατάφεραν να προετοιμάσουν είτε τη λογική 0 είτε τη λογική 1 κατάσταση 99,67% του χρόνου—καλύτερη από το 99,54% για τα μεμονωμένα qubits. «Είναι πραγματικά η πρώτη φορά που η ποιότητα του [λογικού] qubit είναι καλύτερη από τα στοιχεία που το κωδικοποιούν», λέει η Monroe, η οποία είναι συνιδρυτής της IonQ, μιας εταιρείας που αναπτύσσει κβαντικούς υπολογιστές βασισμένους σε ιόντα.

Ωστόσο, σημειώνει ο Egan, το κωδικοποιημένο qubit δεν ξεπέρασε τα μεμονωμένα ιόντα με κάθε τρόπο. Αντίθετα, λέει, η πραγματική πρόοδος είναι η επίδειξη ανοχής σφαλμάτων, πράγμα που σημαίνει ότι ο μηχανισμός διόρθωσης σφαλμάτων λειτουργεί με τρόπο που δεν εισάγει περισσότερα σφάλματα από αυτά που διορθώνει. "Η ανοχή σφαλμάτων είναι πραγματικά η αρχή σχεδιασμού που αποτρέπει τη διάδοση σφαλμάτων", λέει ο Egan, τώρα στο IonQ.

Ο Μαρτίνης όμως αμφισβητεί τη χρήση του όρου. Για να διεκδικήσουν μια πραγματική διόρθωση λάθους με ανοχή σε σφάλματα, λέει, οι ερευνητές πρέπει να κάνουν δύο άλλα πράγματα. Πρέπει να δείξουν ότι τα σφάλματα σε ένα λογικό qubit γίνονται εκθετικά μικρότερα όσο αυξάνεται ο αριθμός των φυσικών qubit. Και πρέπει να δείξουν ότι μπορούν να μετρήσουν επανειλημμένα τα βοηθητικά qubit για να διατηρήσουν το λογικό qubit, λέει.

Ο Egan συμφωνεί ότι αυτά είναι τα προφανή επόμενα βήματα για τις ομάδες UMD και IonQ. Σημειώνει ότι για να φτάσουμε στο στάδιο όπου το κωδικοποιημένο λογικό qubit υπερτερεί των υποκείμενων φυσικών qubit με όλους τους τρόπους, απαιτείται από το τελευταίο να έχει αρκετά χαμηλό ποσοστό σφάλματος για αρχή. "Αυτό θα είναι ένα μεγάλο αποτέλεσμα όταν συμβεί, και όλοι πιέζουν για αυτό", λέει ο Egan. "Αλλά δεν έχει συμβεί ακόμα."