Vědci dosáhnou průlomu „magického stavu“ 20 let ve výrobě – kvantové počítače by bez něj nemohly být opravdu užitečné
Na světě nejprve vědci prokázali záhadný jev v kvantové výpočetní techniky To by mohlo připravit cestu pro stroje odolné vůči chybám, které jsou mnohem silnější než jakýkoli superpočítač.
Proces, nazývaný „destilace magického stavu“, byl první Navrhováno před 20 letyJeho použití v logických qubittech však od té doby vědcům uniklo. Pro výrobu vysoce kvalitních zdrojů, známých jako „magické státy“, je dlouho považováno za rozhodující pro splnění plného potenciálu kvantových počítačů.
Kouzelné stavy jsou kvantové stavy připravené předem, které jsou pak konzumovány jako zdroje nejsložitějšími kvantovými algoritmy. Bez těchto zdrojů nemohou kvantové počítače napojit na podivné zákony Kvantová mechanika zpracovat informace paralelně.
Destilace magického stavu je mezitím filtračním procesem, kterým jsou magické stavy nejvyšší kvality „čištěny“, takže je lze využít nejsložitějšími kvantovými algoritmy.
Tento proces byl dosud možný na prostých, fyzických qubits náchylných k chybám, ale nikoli na logických qubits-skupinách fyzických qubitů, které sdílejí stejná data a jsou nakonfigurovány tak, aby detekovaly a opravovaly chyby, které často narušují kvantové výpočetní operace.
Vzhledem k tomu, že destilace magického stavu v logických qubitch nebyla dosud možná, kvantové počítače, které používají logické qubits, nebyly teoreticky schopny překonat klasické stroje.
Související: Co je kvantová superpozice a co to znamená pro kvantové výpočetní techniky?
Nyní však vědci s Quera říkají, že poprvé prokázali destilaci magického stavu v praxi na logických qubits. Nastínili svá zjištění v nové studii zveřejněné 14. července v časopise Příroda.
„Kvantové počítače by nebyly schopny splnit svůj slib bez tohoto procesu destilace magického stavu. Je to požadovaný milník.“ Yuval BogerHlavní obchodní ředitel v Quera, řekl Live Science v rozhovoru. Boger nebyl osobně zapojen do výzkumu.
Cesta k kvantovému výpočtu odolném proti poruchám
Kvantové počítače používají qubits jako jejich stavební bloky a používají kvantovou logiku – soubor pravidel a operací, které řídí, jak jsou zpracovávány kvantové informace – pro spuštění algoritmů a procesních dat. Výzvou je však spuštění neuvěřitelně složitých algoritmů při zachování neuvěřitelně nízké míry chyb.
Problém je v tom, že fyzické qubits jsou ze své podstaty „hlučné“, což znamená, že výpočty jsou často narušeny faktory, jako jsou změny teploty a elektromagnetické záření. Proto se tolik výzkumu soustředilo Korekce kvantové chyby (QEC).
Snížení chyb – které se vyskytují rychlostí 1 z 1 000 v qubits oproti 1 z 1 milionu, milion v konvenčních bitů – zabraňují narušení a umožňují výpočty dojít tempem. Tam přicházejí logické qubits.
„Aby byly užitečné kvantové počítače, musí běžet poměrně dlouhé a sofistikované výpočty. Pokud je míra chyb příliš vysoká, pak se tento výpočet rychle změní na kaši nebo na zbytečné údaje,“ vedoucí autor studie studie studie studie Sergio píseňViceprezident pro Quantum Systems v Quera řekl v rozhovoru Live Science. „Celým cílem korekce chyb je snížit tuto míru chyb, abyste mohli bezpečně provést milion výpočtů.“
Logické qubits jsou sbírky zapletených fyzických qubits, které sdílejí stejné informace a jsou založeny na principu redundance. Pokud jeden nebo více fyzických qubitů v logickém selhání qubit, výpočet není narušen, protože informace existují jinde.
Vědci uvedli, že logické qubits jsou velmi omezené, protože kódy korekce chyb, které se na ně vztahují, mohou provádět pouze „Clifford Gates“-základní operace v kvantových obvodech. Tyto operace jsou základem kvantových obvodů, ale jsou tak základní, že je lze simulovat na jakémkoli superpočítači.
Pouze klepnutím do vysoce kvalitních magických států mohou vědci provozovat „branky ne-clifford“ a zapojit se do skutečného paralelního zpracování. Vytváření je však je mimořádně náročné a drahé a dosud nebylo v logických qubits nedosažitelné.
Spoléhání se na destilaci magického stavu ve fyzických qubits by v podstatě nikdy nevedlo kvantová výhoda. Z tohoto důvodu musíme přímo destilovat magické stavy v logických qubits.
Magické státy připravují cestu pro schopnosti nad rámec superpočítadla
„Magické stavy nám umožňují rozšířit číslo a typ operací, které můžeme dělat. Prakticky tedy jakýkoli kvantový algoritmus, který má hodnotu, by vyžadoval magické stavy,“ řekl Cantu.
Generování magických stavů ve fyzických qubits, jak jsme to dělali, je smíšená taška-existuje nízko kvalitní a vysoce kvalitní magické stavy-a je třeba je vylepšit. Teprve poté mohou podpořit nejvýkonnější programy a kvantové algoritmy.
Ve studii pomocí Kvantový počítač Blíženci neutrálního atomuVědci destilovali pět nedokonalých magických států do jediného, čistšího magického stavu. Provedli to samostatně na vzdálenosti-3 a logickém qubit vzdálenosti-5, což ukazuje, že se mění s kvalitou logického qubit.
„Větší vzdálenost znamená lepší logické qubits. Například vzdálenost-2 znamená, že můžete detekovat chybu, ale ne opravit. Vzdálenost-3 znamená, že můžete detekovat a opravit jednu chybu. Vzdálenost-5 by znamenala, že můžete detekovat a opravit až dvě chyby atd., A tak dále,“ vysvětlil Boger. „Čím větší je vzdálenost, tím vyšší věrnost qubit je – a přirovnáváme ji k destilaci surového oleje do paliva proudu.“
V důsledku destilačního procesu překročila věrnost konečnému magickému stavu. To dokázalo, že vědci uvedli v praxi, že destilace magického stavu odolné vůči chybám fungovala. To znamená, že kvantový počítač, který používá jak logické qubits, tak vysoce kvalitní magické stavy k provozování bran necizorovaných bran.
„Vidíme druh posunu od před několika lety,“ řekl Boger. „Výzva byla: Lze postavit kvantové počítače vůbec? Pak to bylo možné, že by mohly být chyby detekovány a opraveny? My a Google a další ukázali, že ano, to lze udělat. Nyní jde o: můžeme tyto počítače skutečně užitečnými? A aby se jeden počítač skutečně užitečný, kromě toho, že je zvětšíte, chcete, aby byly schopny provozovat programy na klasické počítači.“
