Η σημαντική ανακάλυψη στη διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλης κλίμακας κβαντικούς υπολογιστές

Ερευνητές στο Google Quantum AI έχουν κάνει μια σημαντική ανακάλυψη στην ανάπτυξη της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων, μια τεχνική που θεωρείται απαραίτητη για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας που μπορούν να λύσουν πρακτικά προβλήματα. Η ομάδα έδειξε ότι τα ποσοστά υπολογιστικών σφαλμάτων μπορούν να μειωθούν αυξάνοντας τον αριθμό των κβαντικών bit (qubits) που χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων. Αυτό το αποτέλεσμα είναι ένα σημαντικό βήμα προς τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών με ανοχή σε σφάλματα.

Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται να φέρουν επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο επιλύουμε ορισμένα πολύπλοκα προβλήματα. Αλλά αυτό μπορεί να συμβεί μόνο εάν πολλά qubits μπορούν να ενσωματωθούν σε μία μόνο συσκευή. Αυτή είναι μια τρομερή πρόκληση επειδή τα qubits είναι πολύ ευαίσθητα και οι κβαντικές πληροφορίες που διατηρούν μπορούν εύκολα να καταστραφούν – οδηγώντας σε σφάλματα στους κβαντικούς υπολογισμούς.

Οι κλασικοί υπολογιστές υποφέρουν επίσης από την περιστασιακή αποτυχία των bits δεδομένων τους και χρησιμοποιούνται τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων για να συνεχίσουν οι υπολογισμοί. Αυτό γίνεται με την αντιγραφή των δεδομένων που συγκρατούνται από μια ακολουθία bit, έτσι ώστε να είναι εύκολο να εντοπιστεί πότε ένα από τα bit αυτής της ακολουθίας αποτυγχάνει. Ωστόσο, οι κβαντικές πληροφορίες δεν μπορούν να αντιγραφούν και επομένως οι κβαντικοί υπολογιστές δεν μπορούν να διορθωθούν με τον ίδιο τρόπο.

Λογικά κομμάτια

Αντίθετα, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα σχήμα διόρθωσης κβαντικών σφαλμάτων. Αυτό συνήθως περιλαμβάνει την κωδικοποίηση λίγων κβαντικών πληροφοριών σε ένα σύνολο qubits που λειτουργούν μαζί ως ένα ενιαίο "λογικό qubit". Μια τέτοια τεχνική είναι ο επιφανειακός κώδικας, όπου ένα κομμάτι κβαντικής πληροφορίας κωδικοποιείται σε μια σειρά από qubits.

Αν και αυτό μπορεί να είναι αποτελεσματικό, η προσθήκη επιπλέον qubits στο σύστημα προσθέτει επιπλέον πηγές σφάλματος και δεν ήταν σαφές εάν η αύξηση του αριθμού των qubits σε ένα σχήμα διόρθωσης σφαλμάτων θα οδηγούσε σε συνολική μείωση των σφαλμάτων - ένα πολύ επιθυμητό αποτέλεσμα που ονομάζεται κλιμάκωση.

Για πρακτικούς κβαντικούς υπολογιστές μεγάλης κλίμακας, οι φυσικοί πιστεύουν ότι χρειάζεται ένα ποσοστό σφάλματος περίπου ένα στο εκατομμύριο. Ωστόσο, η σημερινή τεχνολογία διόρθωσης σφαλμάτων μπορεί να επιτύχει μόνο ποσοστά σφαλμάτων περίπου ένα στα χίλια, επομένως απαιτείται σημαντική βελτίωση – κάτι που αποτελεί μεγάλη πρόκληση.

Αναστροφή bit και αναστροφή φάσης

Τώρα, οι ερευνητές της Google Quantum AI έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός δημιουργώντας ένα σχήμα επιφανειακών κωδικών που θα πρέπει να κλιμακώνεται στο απαιτούμενο ποσοστό σφάλματος. Ο κβαντικός επεξεργαστής τους αποτελείται από υπεραγώγιμα qubits που αποτελούν είτε qubit δεδομένων για λειτουργία είτε qubit μέτρησης που βρίσκονται δίπλα στα qubit δεδομένων και μπορούν είτε να μετρήσουν μια αναστροφή bit είτε μια αναστροφή φάσης – δύο τύποι σφαλμάτων που επηρεάζουν τα qubits.

Στη συνέχεια, η ομάδα ανέλαβε μια σειρά βελτιώσεων σε αυτό το βασικό σχέδιο για να ενισχύσει την ικανότητά της να αντιμετωπίζει λάθη. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες μεθόδους κατασκευής για να μειώσουν τα ποσοστά σφάλματος σε μεμονωμένα qubits, συμπεριλαμβανομένης της αύξησης της διάρκειας ζωής τους. Βελτίωσαν επίσης τα λειτουργικά πρωτόκολλα, όπως η εκτέλεση γρήγορων, επαναλαμβανόμενων μετρήσεων και η επαναφορά διαρροών - όπου η διαρροή αναφέρεται στην ανεπιθύμητη μετάβαση ενός qubit σε μια κβαντική κατάσταση που δεν χρησιμοποιείται σε υπολογισμούς.

Επαναφορά καταστάσεων διαρροής

Η διόρθωση σφαλμάτων απαιτεί επανειλημμένη ανάκτηση ενδιάμεσων αποτελεσμάτων μέτρησης σε κάθε κύκλο διόρθωσης σφάλματος. Αυτές οι μετρήσεις πρέπει να έχουν χαμηλά σφάλματα, έτσι ώστε το σύστημα να μπορεί να εντοπίσει πού έχουν συμβεί σφάλματα στα qubit δεδομένων. Οι μετρήσεις πρέπει επίσης να είναι γρήγορες για να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα αποσυνοχής σε όλη τη διάταξη qubit. Η αποσυνοχή είναι μια διαδικασία κατά την οποία η κβαντική φύση των qubits επιδεινώνεται με την πάροδο του χρόνου. Επιπλέον, οι καταστάσεις διαρροής πρέπει να επαναφέρονται.

Η ομάδα εφάρμοσε μια διαδικασία που ονομάζεται δυναμική αποσύνδεση, η οποία επιτρέπει τόσο τη μέτρηση των qubit όσο και την απομόνωση που απαιτείται για την αποφυγή καταστροφικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των qubits. Εδώ τα qubit παλμίζονται για να διατηρηθεί η εμπλοκή και να ελαχιστοποιηθεί η αλληλεπίδραση ενός qubit με τους μετρούμενους γείτονές του. Το προηγμένο πρωτόκολλο τοποθετεί επίσης έναν αριθμό στις μέγιστα επιτρεπόμενες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των qubits. Το Crosstalk εισάγει συσχετισμένα σφάλματα που μπορεί να μπερδέψουν τον κώδικα.

Κατά την εκτέλεση του πειράματος, τα αποτελέσματα πρέπει να ερμηνεύονται για να προσδιοριστεί πού έχουν συμβεί σφάλματα, χωρίς πλήρη γνώση του συστήματος. Αυτό έγινε χρησιμοποιώντας αποκωδικοποιητές που έχουν πρόσβαση σε περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τη συγκεκριμένη συσκευή τους για να κάνουν καλύτερες προβλέψεις για το πού σημειώθηκαν σφάλματα.

Περισσότερα σημαίνει λιγότερα

Οι ερευνητές αξιολόγησαν αυτή την επεκτασιμότητα του σχεδιασμού τους συγκρίνοντας ένα λογικό qubit «συστοιχίας απόστασης 3» που περιελάμβανε συνολικά 17 φυσικά qubits με μια «συστοιχία απόστασης 5» που περιλάμβανε 49 qubits. Έδειξαν ότι ο πίνακας qubit απόστασης 5 είχε ποσοστό σφάλματος 2.914% και ξεπέρασε τις επιδόσεις του πίνακα qubit απόστασης 3, ο οποίος είχε ποσοστό σφάλματος 3.028%. Η επίτευξη αυτής της μείωσης αυξάνοντας το μέγεθος μιας διάταξης qubit είναι ένα σημαντικό επίτευγμα και δείχνει ότι η αύξηση του αριθμού των qubit είναι μια βιώσιμη διαδρομή για κβαντικό υπολογισμό με ανοχή σε σφάλματα. Αυτή η επεκτασιμότητα υποδηλώνει ότι ένα ποσοστό σφάλματος καλύτερο από ένα στο ένα εκατομμύριο θα μπορούσε να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας έναν πίνακα αποστάσεων 17 qubit που περιλαμβάνει 577 qubit κατάλληλα υψηλής ποιότητας. Η ομάδα εξέτασε επίσης έναν κωδικό διόρθωσης σφάλματος 1D, ο οποίος εστιάζει μόνο σε έναν μόνο τύπο σφάλματος - bit ή αναστροφή φάσης. Βρήκαν ότι ένα σχήμα 49-bit μπορεί να επιτύχει ποσοστά σφάλματος περίπου ένα στο ένα εκατομμύριο.

Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κβαντικούς υπολογιστές για να φτιάξουμε μουσική;

Τζούλιαν Κέλι, διευθυντής κβαντικού υλικού στο Google Quantum AI, αποκαλεί αυτό το αποτέλεσμα «απολύτως κρίσιμο» για την κλιμάκωση προς έναν κβαντικό υπολογιστή μεγάλης κλίμακας, προσθέτοντας ότι αυτό το πείραμα είναι ένα απαραίτητο γάντι που θα πρέπει να περάσει κάθε πλατφόρμα υλικού και οργανισμός για να κλιμακώσει τα συστήματά τους .

Λέει ότι τα επόμενα βήματα της ομάδας είναι να χτίσει ένα ακόμα μεγαλύτερο και εξαιρετικά ισχυρό λογικό qubit που είναι πολύ κάτω από το όριο για τη διόρθωση σφαλμάτων. «Ο στόχος είναι να δείξουμε αλγοριθμικά σχετικά λογικά ποσοστά σφάλματος σε κλίμακα πολύ πέρα ​​από τα συστήματα που υπάρχουν σήμερα. Με αυτό, θα επιβεβαιώσουμε ότι η διόρθωση σφαλμάτων δεν είναι μόνο δυνατή, αλλά και πρακτική και ανοίγει μια σαφή πορεία προς την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Hideo KosakaΟ κβαντικός μηχανικός στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Γιοκοχάμα της Ιαπωνίας και ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή την έρευνα, λέει ότι ο επιφανειακός κώδικας θεωρείται η καλύτερη πρακτική μέθοδος για την κλιμάκωση του αριθμού των qubits σε έναν κβαντικό επεξεργαστή, καθώς επιτρέπει μια απλή δομή σε 2D. Αν και αναφέρει ότι περιορίζεται σε μια κατηγορία σφαλμάτων που ονομάζονται σφάλματα Pauli, θα ήταν αρκετό στην πράξη με πιθανές μελλοντικές βελτιώσεις της συσκευής, συμπεριλαμβανομένης της θωράκισης από τις κρούσεις των κοσμικών ακτίνων. Παρόλο που ο Kosaka πιστεύει ότι αυτό είναι απλώς ένα σημείο εκκίνησης, όπου οι ερευνητές πρέπει να βελτιώσουν την απόδοσή τους πολύ περισσότερο για να μειώσουν τον αριθμό των φυσικών qubits και των κύκλων διόρθωσης σφαλμάτων, δηλώνει ότι «κανείς δεν πίστευε ότι αυτό θα γινόταν μέσα σε 20 χρόνια όταν ξεκινήσαμε έρευνα για την επιστήμη της κβαντικής πληροφορίας».

Η έρευνα περιγράφεται στο Φύση.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/breakthrough-in-quantum-error-correction-could-lead-to-large-scale-quantum-computers/