De ce corectarea erorilor este provocarea definitorie a calculului cuantic

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Steve Brierley susține că calculatoarele cuantice trebuie să implementeze tehnici cuprinzătoare de corectare a erorilor înainte de a deveni pe deplin utile societății

Exploatarea avantajului lor Calculatoarele cuantice vor deveni utile doar odată ce instrumentele hardware și software vor putea controla qubiții inerent instabili. (Cu amabilitatea: Riverlane)

„Nu există argumente convingătoare care să indice că se vor găsi aplicații viabile din punct de vedere comercial nu folosiți coduri de corectare a erorilor cuantice și calculul cuantic tolerant la erori.” Așa a declarat fizicianul de la Caltech, John Preskill, în timpul unei discuții la sfârșitul anului 2023 la întâlnirea Q2B23 din California. Pur și simplu, oricine dorește să construiască un computer cuantic practic va trebui să găsească o modalitate de a face față erorilor.

Calculatoarele cuantice devin din ce în ce mai puternice, dar blocurile lor fundamentale – biții cuantici sau qubiții – sunt foarte predispuse la erori, limitând utilizarea lor pe scară largă. Nu este suficient să construiești pur și simplu computere cuantice cu qubiți mai mulți și mai buni. Deblocarea întregului potențial al aplicațiilor de calcul cuantic va necesita noi instrumente hardware și software care pot controla qubiții inerent instabili și pot corecta complet erorile de sistem de 10 miliarde de ori sau mai mult pe secundă.

Cuvintele lui Preskill au anunțat în esență zorii așa-zisului Corectarea erorilor cuantice (QEC) era. QEC nu este o idee nouă, iar firmele dezvoltă de mulți ani tehnologii pentru a proteja informațiile stocate în qubiți de erori și decoerență cauzate de zgomot. Ceea ce este nou, însă, este renunțarea la ideea că dispozitivele zgomotoase la scară intermediară (NISQ) de astăzi ar putea depăși supercalculatoarele clasice și ar putea rula aplicații care sunt imposibile în prezent.

Sigur, NISQ – un termen care a fost inventat de Preskill – a fost o piatră importantă în călătoria către toleranța la greșeală. Dar industria cuantică, investitorii și guvernele trebuie să realizeze acum că corectarea erorilor este provocarea definitorie a calculului cuantic.

O chestiune de timp

QEC a înregistrat deja progrese fără precedent doar în ultimul an. În 2023 Google a demonstrat că un sistem de 17 qubiți se poate recupera de la o singură eroare și un sistem de 49 de qubiți din două erori (Natură 614 676). Amazon a lansat un cip care a suprimat erorile de 100 de ori, în timp ce Oamenii de știință IBM am descoperit o nouă schemă de corectare a erorilor care funcționează cu de 10 ori mai puțini qubiți (arXiv: 2308.07915). Apoi, la sfârșitul anului, spin-out-ul cuantic al Universității Harvard Quera a produs cel mai mare număr de până acum qubiți corectați de erori .

Decodarea, care transformă mulți qubiți fizici nesiguri într-unul sau mai mulți qubiți „logici” de încredere, este o tehnologie de bază QEC. Acest lucru se datorează faptului că computerele cuantice la scară largă vor genera terabyți de date în fiecare secundă, care trebuie decodați la fel de repede pe cât sunt achiziționați pentru a opri propagarea erorilor și a face calculele inutile. Dacă nu decodificăm suficient de repede, ne vom confrunta cu un acumulare de date în creștere exponențială.

Strategia cuantică națională a Regatului Unit este un plan în care putem crede cu toții

Compania mea proprie – Riverlane – a fost introdusă anul trecut cel mai puternic decodor cuantic din lume. Decodorul nostru rezolvă această problemă de întârziere, dar încă există mult mai mult de lucru. Compania dezvoltă în prezent „decodoare de streaming” care pot procesa fluxuri continue de rezultate de măsurare pe măsură ce sosesc, nu după terminarea unui experiment. Odată ce atingem această țintă, mai avem de făcut. Iar decodoarele sunt doar un aspect al QEC – avem nevoie, de asemenea, de „sisteme de control” de mare precizie, de mare viteză pentru a citi și scrie qubiții.

Pe măsură ce computerele cuantice continuă să se extindă, aceste sisteme de decodor și control trebuie să lucreze împreună pentru a produce qubiți logici fără erori și, până în 2026, Riverlane își propune să creeze un decodor adaptiv sau în timp real. Mașinile de astăzi sunt capabile doar de câteva sute de operațiuni fără erori, dar evoluțiile viitoare vor funcționa cu computere cuantice capabile să proceseze un milion de operațiuni cuantice fără erori (cunoscute sub numele de MegaQuOp).

Riverlane nu este singurul în astfel de eforturi, iar alte companii cuantice acordă acum prioritate QEC. IBM nu a lucrat anterior la tehnologia QEC, concentrându-se în schimb pe qubiți mai mulți și mai buni. Dar al firmei Foaia de parcurs cuantică pentru 2033 afirmă că IBM își propune să construiască o mașină de 1000 de qubit până la sfârșitul deceniului, care să fie capabilă de calcule utile - cum ar fi simularea funcționării moleculelor de catalizator.

Quera, între timp, și-a dezvăluit recent foaia de parcurs care, de asemenea, prioritizează QEC, în timp ce Strategia cuantică națională a Marii Britanii își propune să construiască computere cuantice capabile să ruleze un trilion de operațiuni fără erori (TeraQuOps) până în 2035. Alte națiuni au publicat planuri similare și un obiectiv pentru 2035 se pare realizabil, parțial pentru că comunitatea de calcul cuantic începe să țintească pentru mai mici, incrementale - dar la fel de ambițioase – obiective.

Pregătirea scenei pentru o piață cuantică: unde se află afacerile cuantice și cum s-ar putea desfășura

Ceea ce mă entuziasmează cu adevărat la Strategia Națională cuantică a Regatului Unit este obiectivul de a avea o mașină MegaQuOp până în 2028. Din nou, aceasta este o țintă realistă – de fapt, aș susține chiar că vom ajunge la regimul MegaQuOp mai devreme, motiv pentru care Soluția QEC de la Riverlane, Deltaflow, va fi gata să funcționeze cu aceste mașini MegaQuOp până în 2026. Nu avem nevoie de nicio fizică radical nouă pentru a construi un computer cuantic MegaQuOp – și o astfel de mașină ne va ajuta să înțelegem mai bine și să profilăm erorile cuantice.

Odată ce înțelegem aceste erori, putem începe să le reparăm și să mergem către mașinile TeraQuOp. TeraQuOp este, de asemenea, o țintă flotantă – și una în care îmbunătățirile atât în QEC, cât și în alte părți ar putea duce la îndeplinirea obiectivului pentru 2035 cu câțiva ani mai devreme.

Este doar o chestiune de timp până când computerele cuantice sunt utile pentru societate. Și acum, că ne concentrăm coordonat asupra corecției erorilor cuantice, vom ajunge la acel punct de cotitură mai devreme decât mai târziu.