ระบบใหม่ของ "ข้อผิดพลาดในการลบ" อาจเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมหรือไม่?

ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมก็คือข้อผิดพลาด แก้ไขn. ข้อผิดพลาดในการคำนวณควอนตัมเป็นเรื่องปกติ สาเหตุหลักมาจากเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อมและความเปราะบางโดยรวมของระบบ ข้อผิดพลาดเหล่านี้อาจทำให้เกิดการวัดที่ไม่ถูกต้อง และทำให้ผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรมควอนตัมบิดเบือน หลายบริษัทเช่น ไอบีเอ็ม และ Googleกำลังทำงานหาวิธีแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านี้หรือปรับเทียบคอมพิวเตอร์ควอนตัมใหม่เพื่อป้องกันข้อผิดพลาดมากขึ้น ในบทความใหม่จาก การสื่อสารธรรมชาติทีมงานจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันเสนอวิธีการอื่นในการแก้ไขข้อผิดพลาดโดยดูที่ระบบที่เรียกว่า "ข้อผิดพลาดในการลบ"

การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม (QEC) คืออะไร

เนื่องจากคิวบิตซึ่งเป็นหน่วยหลักของคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นค่อนข้างมาก บอบบางพวกมันไวต่อข้อผิดพลาด “ปัญหาสำคัญในการคำนวณควอนตัมในขณะนี้คือการได้รับคิวบิตที่มีความเที่ยงตรงสูงเพียงพอที่จะดำเนินการแก้ไขข้อผิดพลาดของควอนตัม” อธิบาย เจฟฟรีย์ ทอมป์สันรองศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันและหัวหน้านักวิจัยในการศึกษาครั้งนี้ในการให้สัมภาษณ์กับ ภายในเทคโนโลยีควอนตัม. สำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมประเภทส่วนใหญ่ (คิวอีซี) อัลกอริธึมใช้ในการระบุและแก้ไขข้อผิดพลาดภายในคอมพิวเตอร์ควอนตัม แม้ว่าอัลกอริธึมเหล่านี้จะขึ้นอยู่กับแนวทางทางคณิตศาสตร์ แต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ ดังที่ทอมป์สันอธิบาย: “ใน มาตรฐาน การแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม คุณต้องระบุทั้งตำแหน่งและประเภทของข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นกับคิวบิตของคุณ จากการสังเกตชุดที่จำกัด ซึ่งเรียกว่าการวัดกลุ่มอาการ” แม้ว่าการวัดกลุ่มอาการเหล่านี้จะมีประโยชน์ในการระบุข้อผิดพลาด แต่ก็ไม่ได้นำไปสู่การแก้ไขข้อผิดพลาดที่ประสบความสำเร็จเสมอไป “การแก้ไขข้อผิดพลาดจะล้มเหลวเมื่อคุณไม่มีข้อมูลเพียงพอที่จะทำการตัดสินใจเหล่านี้ได้อย่างไม่คลุมเครือ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีข้อผิดพลาดมากเกินไป” ทอมป์สันกล่าวเสริม

ค้นหาข้อผิดพลาดในการลบ

แทนที่จะแก้ไขปัญหานี้โดยการลดจำนวนข้อผิดพลาดทั้งหมด Thompson และทีมของเขาทำงานเพื่อทำให้ระบุข้อผิดพลาดได้ง่ายขึ้น พวกเขาพบสิ่งนี้โดยบังเอิญขณะศึกษาโครงสร้างของอิตเทอร์เบียมคิวบิต อิเล็กตรอนสองตัวในเปลือกนอกของอิตเทอร์เบียมดูเหมือนจะไม่มีส่วนสำคัญในการช่วยแก้ไขข้อผิดพลาด นักวิจัยได้เจาะลึกสาเหตุทางกายภาพของข้อผิดพลาดเพื่อพัฒนาระบบที่แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดลบหรือกำจัดข้อมูลที่ไม่ถูกต้อง ระบบการลบออกทำงานโดยการเชื่อมโยงข้อผิดพลาดควอนตัมกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานในอิเล็กตรอนชั้นนอก Thompson เรียกระบบนี้ว่า "ข้อผิดพลาดในการลบข้อมูล" และสามารถช่วยแสดงว่าข้อมูลในส่วนใดไม่ถูกต้อง “ข้อผิดพลาด 'การลบออก' เป็นรูปแบบพิเศษที่เปิดเผยตำแหน่งของตัวเอง ดังนั้นคุณจึงใช้ข้อมูลกลุ่มอาการมากขึ้นเพื่อค้นหาประเภทข้อผิดพลาดได้” ทอมป์สันกล่าว “สิ่งนี้ช่วยให้คุณจัดการกับข้อผิดพลาดได้มากขึ้น และเพิ่มประสิทธิภาพในการแก้ไขข้อผิดพลาด” ข้อผิดพลาดในการลบข้อมูลค่อนข้างจะพบได้ทั่วไปในการคำนวณแบบคลาสสิก แต่ตอนนี้จะพิจารณาเฉพาะในการคำนวณควอนตัมเท่านั้น

นักวิจัยพบว่าเทคนิคใหม่ของพวกเขาสามารถทนต่อข้อผิดพลาดในการลบได้ ลด 4.1% อัตราข้อผิดพลาดซึ่งเป็นไปได้สำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมในปัจจุบัน ระบบก่อนหน้านี้สามารถทนต่ออัตราข้อผิดพลาดได้เพียง 1% เท่านั้น ก่อนที่จะถูกครอบงำด้วยเปอร์เซ็นต์ข้อผิดพลาดที่สูงกว่า ทอมป์สันเชื่อว่าเปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นนี้จะทำให้คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดใหญ่ขึ้นและมีคิวบิตมากขึ้นกลายเป็นความจริงได้ “หากคุณมีคิวบิตที่มีอคติต่อการลบข้อผิดพลาด คุณไม่จำเป็นต้องมีมากนัก และอาจทำงานได้แย่ลง” ทอมป์สันกล่าวเสริม “สำหรับช่วงพารามิเตอร์บางช่วง คิวบิตที่มีอคติการลบล้างอาจต้องใช้คิวบิตน้อยลง 10 เท่าหรือ 100 เท่าเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ QEC ในระดับหนึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับคิวบิตทั่วไป” สำหรับหลายๆ บริษัทที่ต้องการขยายขนาดคอมพิวเตอร์ควอนตัม ระบบข้อผิดพลาดในการลบข้อมูลอาจเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ “อาจเป็นไปได้ที่จะออกแบบคิวบิตที่มีอยู่ใหม่อย่างละเอียดเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้” ทอมป์สันกล่าว “มีความสนใจอย่างมากในแนวคิดนี้”

Kenna Hughes-Castleberry เป็นนักเขียนที่ Inside Quantum Technology และ Science Communicator ที่ JILA (ความร่วมมือระหว่าง University of Colorado Boulder และ NIST) จังหวะการเขียนของเธอมีทั้งเทคโนโลยีล้ำลึก เมตาเวิร์ส และเทคโนโลยีควอนตัม คุณสามารถหาผลงานของเธอเพิ่มเติมได้ที่เว็บไซต์ของเธอ: https://kennacastleberry.com/