By Kenna opublikowano 12 września 2022
Jednym z największych wyzwań w rozwoju komputera kwantowego jest błąd poprawkaN. Błędy w obliczeniach kwantowych są dość powszechne, głównie z powodu hałasu otoczenia i ogólnej kruchości systemu. Błędy te mogą powodować niedokładne pomiary i wypaczać wyniki programowania kwantowego. Wiele firm, np IBM i Google, pracują nad sposobami naprawienia tych błędów lub ponownej kalibracji komputerów kwantowych, aby były bardziej odporne na błędy. W nowym numerze z Nature Communicationszespół z Uniwersytetu Princeton oferuje alternatywną metodę korekcji błędów, wykorzystując system znany jako „błąd wymazywania”.
Co to jest kwantowa korekcja błędów (QEC)?
Ponieważ kubity, podstawowe jednostki komputera kwantowego, są dość duże kruchy, są podatne na błędy. „Głównym problemem obecnie w obliczeniach kwantowych jest uzyskanie wystarczającej liczby kubitów o wysokiej wierności, aby wdrożyć kwantową korekcję błędów” – wyjaśnił Jeffreya Thompsona, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Princeton i główny badacz badania, w wywiadzie Wewnątrz technologii kwantowej. W przypadku większości typów korekcji błędów kwantowych (QEC) algorytm służy do identyfikowania i naprawiania błędów w komputerze kwantowym. Chociaż algorytmy te opierają się na podejściach matematycznych, są one dalekie od doskonałości. Jak wyjaśnił Thompson: „W standard kwantowej korekcji błędów, musisz określić zarówno lokalizacje, jak i rodzaje błędów, które wystąpiły na kubitach, na podstawie ograniczonego zestawu obserwacji, znanych jako pomiary syndromowe. Chociaż te pomiary syndromu są pomocne w wykrywaniu błędów, nie zawsze prowadzą do skutecznej korekty błędów. „Korekcja błędów nie powiedzie się, gdy nie ma wystarczających informacji, aby dokonać jednoznacznych ustaleń, co ma miejsce, gdy błędów jest zbyt wiele” – dodał Thompson.
Znajdowanie błędu usuwania
Zamiast naprawiać ten problem poprzez zmniejszenie całkowitej liczby błędów, Thompson i jego zespół pracowali nad ułatwieniem identyfikacji błędów. Odkryli to niemal przez przypadek, badając strukturę kubitu iterbu. Wydaje się, że dwa elektrony w zewnętrznej powłoce iterbu nie odgrywają kluczowej roli w korekcji błędów. Zagłębiając się w fizyczne przyczyny błędu, badaczom udało się opracować system, w którym źródło błędu usuwa lub eliminuje niedokładne dane. System wymazywania działał poprzez powiązanie błędów kwantowych z przesunięciem energii w zewnętrznych elektronach. Thompson nazywa ten konkretny system „błędem kasowania” i może pomóc wskazać, gdzie dane są niedokładne. „Błąd „kasowania” to specjalny rodzaj błędu, który ujawnia swoją lokalizację, dzięki czemu można wykorzystać więcej informacji na temat syndromu, aby określić typ błędu” – powiedział Thompson. „Pozwala to obsłużyć więcej błędów, a tym samym zwiększyć wydajność korekcji błędów.” Błędy kasowania są dość powszechne w obliczeniach klasycznych, ale obecnie są uwzględniane w obliczeniach kwantowych.
Wykorzystując błędy kasowania, naukowcy odkryli, że ich nowa technika jest w stanie wytrzymać m.in 4.1% współczynnika błędów, jaki jest możliwy do osiągnięcia w przypadku obecnych komputerów kwantowych. Poprzednie systemy wytrzymywały poziom błędów wynoszący zaledwie 1%, po czym zostały przytłoczone większym odsetkiem błędów. Thompson uważa, że ten wyższy odsetek może sprawić, że większy komputer kwantowy z większą liczbą kubitów stanie się rzeczywistością. „Jeśli masz kubity, które są podatne na błędy kasowania, nie potrzebujesz ich aż tak dużo, a mogą działać gorzej” – dodał Thompson. „W przypadku niektórych zakresów parametrów kubity obciążone usuwaniem mogą wymagać 10 lub nawet 100 razy mniej kubitów, aby osiągnąć określony poziom wydajności QEC w porównaniu z konwencjonalnymi kubitami”. Dla wielu firm chcących zwiększyć skalę swoich komputerów kwantowych system kasowania błędów może być kluczem do osiągnięcia tych celów. „Aby to osiągnąć, możliwe może być subtelne przeprojektowanie istniejących kubitów” – powiedział Thompson. „Zainteresowanie tym pomysłem jest bardzo duże.”
Kenna Hughes-Castleberry jest autorką w Inside Quantum Technology i komunikatorem naukowym w JILA (w ramach partnerstwa pomiędzy University of Colorado Boulder i NIST). Jej teksty obejmują deep tech, metaverse i technologię kwantową. Więcej jej prac można znaleźć na jej stronie internetowej: https://kennacastleberry.com/
