„To posouvá časovou osu výrazně kupředu“: Průlom v kvantovém počítání by mohl snížit otravné chyby až 100krát
Vědci objevili způsob, jak zrychlit kvantová oprava chyb (QEC) faktorem až 100 – skok, který by mohl výrazně zkrátit dobu kvantové počítače řešit složité problémy.
Technika zvaná algorithmic fault tolerance (AFT) restrukturalizuje kvantové algoritmy tak, aby mohly detekovat a opravovat chyby za běhu, spíše než se pozastavovat nad prováděním kontrol v pevných intervalech.
V e-mailu společnosti Live Science Yuval Bogerobchodní ředitel společnosti QuEra řekl, že výsledky znamenají „hlavní milník na cestě k praktickým kvantovým počítačům ve velkém měřítku“, přičemž testy hardwaru pravděpodobně proběhnou „v příštím roce nebo dvou“.
„Praktické kvantové výpočty odolné proti chybám vyžadují jak škálovatelný hardware, tak účinnou korekci chyb. AFT přímo řeší stránku efektivity tím, že odstraňuje hlavní překážku,“ řekl Boger. „Ačkoli ještě nejsme u systémů plně odolných vůči chybám, tento výsledek výrazně posouvá časovou osu dopředu a ukazuje, že kdysi předpokládaná obrovská režie není nevyhnutelná.“
Co je to kvantové počítání odolné proti chybám?
Kvantové počítače mohou teoreticky zpracovávat informace rychleji než dokonce nejvýkonnější superpočítače současnostikteré samy o sobě jsou řádově mocnější než špičkový počítač.
Problém je v tom qubitykvantový ekvivalent klasických počítačových bitů, jsou notoricky křehké. Aby bylo možné provést spolehlivý výpočet, musí qubity udržovat jemný kvantový stav, známý jako „koherence“, dostatečně dlouho na to, aby zpracoval informace. I sebemenší narušení okolního prostředí – ať už je to teplo, hluk nebo elektrické rušení – může tento stav narušit. Když k tomu dojde, všechny informace držené qubitem jsou zničeny.
Kvantové výpočty odolné vůči chybám umožňují kvantovým systémům provozovat delší a složitější výpočty, aniž by byly vykolejeny rušením. Obvykle se spoléhá na technologie QEC, jako jsou logické qubity, které chrání informace sdílením stejných dat napříč mnoha fyzickými qubity – často atomyionty popř supravodivé obvody.
Protože přímé měření qubitu přímo ničí jeho kvantový stav, QEC zajišťuje, že chyby mohou být detekovány a opraveny, aniž by došlo ke zhroucení zakódovaných informací. Přináší však také mnoho výpočetní režie, protože zahrnuje vkládání kontrol chyb v pravidelných intervalech.
AFT funguje jinak, místo toho restrukturalizuje kvantové algoritmy tak, aby detekce chyb byla zabudována do toku samotného výpočtu.
„Namísto desítek opakování na operaci může stačit pouze jediná kontrola na logický krok,“ řekl Boger Live Science. „Toto je průlom, protože dramaticky snižuje režii opravy chyb, což znamená, že kvantové počítače mohou provádět užitečné výpočty s mnohem menším množstvím hardwaru a mnohem rychlejšími časy.“
Proč AFT a systémy s neutrálním atomem spolupracují
Kvantové počítače s neutrálním atomem mohou být zvláště vhodné pro AFT, uvedli zástupci QuEra v a prohlášení. Tyto ukládají kvantové informace v jednotlivých atomech, které jsou drženy na místě a řízeny jemně vyladěnými laserovými paprsky, což poskytuje vestavěnou flexibilitu, která umožňuje přemístění qubitů podle potřeby.
„V těchto systémech lze jakýkoli atom přemístit, aby interagoval s kterýmkoli jiným, což znamená, že nejsou omezeny pevným zapojením, jako jsou supravodivé qubity. Tato flexibilita „vše ke všem“ je přirozeně vhodná pro schémata odolná proti poruchám,“ řekl Boger. Dodal, že podporují paralelní operace, což znamená, že můžete dávat stejné instrukce více qubitům najednou. Pokud jeden z nich udělá chybu, chyba je izolovaná a nerozšíří se do zbytku systému.
Stroje s neutrálním atomem pracovat i při pokojové teplotěvyhnout se složitosti a nákladům extrémní kryogenní chlazení. „Společně – flexibilita, simultánní operace a jednodušší infrastruktura – neutrální atomy jsou jedinečně umístěny tak, aby využívaly výhody algoritmické odolnosti proti chybám, i když z toho mohou mít prospěch i jiné platformy,“ řekl Boger.
Když vědci aplikovali AFT na simulace architektury neutrálního atomu QuEra, zjistili, že to zkrátilo čas a výpočetní zdroje potřebné pro opravu chyb 10 až 100krát, v závislosti na algoritmu.
Tento druh zrychlení by mohl učinit kvantové počítače dostatečně rychlými, aby řešily skutečné problémy, které byly dříve považovány za nedostupné, řekl Boger.
„Představte si algoritmus pro optimalizaci globálních tras přepravních kontejnerů. Takový optimalizační algoritmus může vyžadovat měsíc běhu na budoucím kvantovém počítači s opravenou chybou. Než algoritmus skončí, podmínky se změní, a proto již výsledky nejsou užitečné. S touto novou metodou by mohl být stejný výpočet potenciálně dokončen za méně než jeden den, čímž se přesune z teoretického na praktický.“
