Kvantové výpočetní techniky Očekává se, že ponechá klasické výpočetní techniky v prachu, pokud jde o řešení některých nejobtížnějších problémů na světě. Nejlepší kvantové stroje mají však jednu hlavní slabost-jsou však neuvěřitelně náchylné k chybám.
Proto pole závodí na vývoj a implementaci schémat kvantové korekce chyb (QEC), aby zmírnila inherentní nespolehlivost technologie. Tyto přístupy zahrnují budování propouštění do způsobu, jakým jsou informace kódovány v qubits kvantových počítačů, takže pokud se několik chyb vplíží do výpočtů, celý výpočet není vykolejen. Bez jakékoli další korekce chyb je míra chyb u qubits zhruba 1 z 1 000 oproti 1 z 1 milionu milionů v klasických výpočetních bitách.
Neobvyklé vlastnosti Kvantová mechanika Udělejte to však výrazně komplikovanější než korekce chyb v klasických systémech. Implementace těchto technik v praktickém měřítku bude také vyžadovat kvantové počítače, které jsou mnohem větší než dnešní přední zařízení.
Pole však v posledních letech zaznamenalo významný pokrok, který vyvrcholil mezníkem z kvantového výpočetního týmu Google loni v prosinci. Společnost představila nový Kvantový procesor s názvem Willow To poskytlo první přesvědčivý důkaz, že QEC může škálovat až do velkých velikostí zařízení potřebných k vyřešení praktických problémů.
„Je to orientační výsledek v tom, že poprvé ukazuje, že QEC skutečně funguje,“ Joschka Roffeinovační člen na University of Edinburgh a autor A 2019 Studie korekce kvantové chybyřekl živé vědě. „Je tu ještě dlouhá cesta, ale to je druh prvního kroku, důkaz konceptu.“
Proč potřebujeme korekci kvantové chyby?
Kvantové počítače mohou využít exotických kvantových jevů, například zapletení a superpozice pro efektivní kódování dat a zpracování výpočtů paralelně, spíše než v sekvenci, jako jsou klasické počítače. Výkon zpracování jako takový exponenciálně zvyšuje, čím více qubitů přidáte do systému pro určité typy problémů. Tyto kvantové stavy jsou však ze své podstaty křehké a dokonce i nejmenší interakce s jejich prostředím může způsobit, že se zhroutí.
To je důvod, proč kvantové počítače jdou do velké míry, aby oddělily své qubits od externích poruch. To se obvykle provádí tím, že je udržujete při velmi nízkých teplotách nebo ve vakuu-nebo jejich kódováním do fotonů, které slabě interagují s prostředím.
Ale i tehdy se mohou chyby vplížit a vyskytovat se mnohem větší rychlosti než v klasických zařízeních. Logické operace v nejmodernějších kvantových procesorech Google selhávají rychlostí asi 1 ze 100, říká Roffe.
„Musíme najít nějaký způsob, jak překlenout tento záliv, abychom mohli skutečně použít kvantové počítače k provozování některých opravdu vzrušujících aplikací, které jsme pro ně navrhli,“ řekl.
Schémata QEC staví na vrcholu myšlenek vyvinutých ve 40. letech 20. století pro rané počítače, které byly mnohem nespolehlivější než dnešní zařízení. Moderní čipy již nepotřebují opravu chyb, ale tato schémata se stále široce používají v digitálních komunikačních systémech, které jsou náchylnější k hluku.
Pracují tím, že vytvářejí redundanci do přenášených informací. Nejjednodušší způsob, jak to implementovat, je jednoduše poslat stejnou zprávu vícekrát, řekl Roffe, něco známého jako opakovací kód. I když některé kopie obsahují chyby, přijímač může zjistit, co je zpráva, když se podíváme na informace, které se nejčastěji opakují.
Tento přístup se však úhledně nepřekládá do kvantového světa, říká Roffe. Kvantové stavy použité k kódování informací v kvantovém kolapsu počítače, pokud dojde k interakci s externím prostředím, včetně toho, kdy je učiněn pokus o jejich měření. To znamená, že je nemožné vytvořit kopii kvantového stavu, něco známého jako „Neclonivá věta„Výsledkem je, že vědci museli přijít s propracovanějšími schématy, aby se stavěli v nadbytečnosti.
Co je logický qubit a proč je to tak důležité?
Základní jednotkou informací v kvantovém počítači je qubit, který lze zakódovat do různých fyzických systémů, včetně supravodivých obvodů, zachycených iontů, neutrálních atomů a Fotony (částice světla). Tyto takzvané „fyzické qubits“ jsou ze své podstaty náchylné k chybám, ale je možné rozšířit jednotku kvantových informací na několika z nich pomocí pomocí kvantový jev zapletení.
To se týká situace, kdy jsou kvantové stavy dvou nebo více částic vzájemně spojeny. Zapojením více fyzických qubits je možné kódovat jediný sdílený kvantový stav napříč všemi, říká Roffe, něco známého jako „logický qubit“. Rozšířením kvantových informací tímto způsobem vytváří redundanci, takže i když několik fyzických qubitů zažívá chyby, zastřešující informace se neztratí.
Proces detekce a opravy jakýchkoli chyb je však komplikován skutečností, že nemůžete přímo měřit stavy fyzických qubitů, aniž byste je způsobili kolaps. „Takže musíte být mnohem chytřejší ohledně toho, co vlastně měříš,“ Dominic WilliamsonLIVE Science jako výzkumný pracovník na IBM. „Můžete to myslet na měření vztahu mezi (qubits) místo toho, abyste je měřili jednotlivě.“
To se provádí pomocí kombinace „datových qubits“, která kóduje kvantové informace, a „andity qubits“, které jsou zodpovědné za detekci chyb v těchto qubits, říká Williamson. Každá Ancilla Qubit interaguje se skupinou dat qubits, aby zkontrolovala, zda je součet jejich hodnot lichý nebo dokonce bez přímého měření jejich jednotlivých stavů.
Pokud došlo k chybě a hodnota jedné z dat se změnila, výsledek tohoto testu převrátí, což naznačuje, že v této skupině došlo k chybě. Klasické algoritmy se používají k analýze měření z více qubitů ANCILLY, aby se určila umístění poruchy. Jakmile je to známo, může být na logickém qubit proveden operaci pro opravu chyby.
Jaké jsou hlavní přístupy korekce chyb?
Zatímco všechny schémata QEC tento proces sdílejí, specifika se mohou značně lišit. Nejrozšířenější rodina technik je známá jako „povrchové kódy“, které šíří logický qubit na 2D mřížku dat qubits rozptýlených s Ancilla qubits. Povrchové kódy jsou vhodné pro supravodivé kvantové počítače založené na obvodech vyvinuté společností Google a IBM, jejichž fyzické qubits jsou uspořádány přesně v tomto druhu mřížky.
Každá Ancilla Qubit však může interagovat pouze s daty, která je přímo sousedí s tím, což je snadno inženýr, ale relativně neefektivní, řekl Williamson. Předpokládá se, že pomocí tohoto přístupu bude každý logický qubit vyžadovat zhruba 1 000 fyzických, dodává.
To vedlo k rostoucímu zájmu o rodinu schémat QEC známých jako kódy paritní kontroly (LDPC) s nízkou hustotou, řekl Williamson. Spoléhají se na interakce s delšího dosahu mezi qubits, což by mohlo výrazně snížit celkový požadovaný počet. Jediným problémem je, že fyzické spojování qubitů na větší vzdálenosti je náročné, i když je jednodušší pro technologie, jako jsou neutrální atomy a zachycené ionty, ve kterých lze fyzicky pohybovat fyzicky.
Předpoklad pro to, aby některý z těchto schémat pracuje, však, říká Roffe, snižuje míru chyb jednotlivých qubitů pod zásadním prahem. Pokud je podkladový hardware příliš nespolehlivý, chyby se hromadí rychleji, než je může schéma korekce chyb vyřešit, bez ohledu na to, kolik qubitů přidáte do systému. Naproti tomu, pokud je míra chyb dostatečně nízká, může přidání dalších qubitů do systému vést k exponenciálnímu zlepšení potlačení chyb.
Nedávný papír Google poskytl první přesvědčivý důkaz, že je to na dosah. V sérii experimentů vědci použili svůj 105-quitní vrbový čip k spuštění povrchového kódu na stále velkých polích qubits. Ukázali, že pokaždé, když rozšířili počet qubitů, míra chyb se snížila na polovinu.
„Chceme být schopni potlačit míru chyb faktorem bilionu nebo něčím, takže stále existuje dlouhá cesta,“ řekl Roffe Live Science. „Ale doufejme, že to připravuje cestu pro větší povrchové kódy, které ve skutečnosti smysluplně potlačují míru chyb do bodu, kdy můžeme udělat něco užitečného.“
