Komputery kwantowe obiecują osiągnąć prędkości i wydajność nieosiągalne nawet dla najszybszych współczesnych superkomputerów. Jednak technologia ta nie uległa znacznemu rozszerzeniu i komercjalizacji, głównie ze względu na brak zdolności do samokorygowania. Komputery kwantowe, w odróżnieniu od klasycznych, nie potrafią korygować błędów poprzez wielokrotne kopiowanie zakodowanych danych. Naukowcy musieli znaleźć inny sposób.
Nowy artykuł w czasopiśmie Nature ilustruje potencjał platformy obliczeń kwantowych z Harvardu w zakresie rozwiązania długotrwałego problemu zwanego korekcją błędów kwantowych.
Zespołem z Harvardu kieruje ekspert w dziedzinie optyki kwantowej Michaił Lukin, profesor fizyki na Uniwersytecie Joshuy i Beth Friedman oraz współdyrektor Harvard Quantum Initiative. Prace opublikowane w Nature były efektem współpracy Harvardu, MIT i bostońskiej firmy QuEra Computing. Zaangażowana była także grupa Markusa Greinera, profesora fizyki George’a Vasmera Leveretta.
Platforma Harvarda, trwająca kilka lat, została zbudowana w oparciu o szereg bardzo zimnych, uwięzionych laserowo atomów rubidu. Każdy atom działa jak bit – lub „kubit”, jak się go nazywa w świecie kwantowym – który może wykonywać niezwykle szybkie obliczenia.
Główną innowacją zespołu jest takie skonfigurowanie „neutralnego układu atomów”, aby móc dynamicznie zmieniać jego układ poprzez przesuwanie i łączenie atomów – w żargonie fizyki nazywa się to „splątaniem” – w połowie obliczeń. Operacje splątujące pary atomów, zwane dwukubitowymi bramkami logicznymi, są jednostkami mocy obliczeniowej.
Uruchomienie skomplikowanego algorytmu na komputerze kwantowym wymaga wielu bramek. Jednak te operacje na bramkach są notorycznie podatne na błędy, a nagromadzenie błędów czyni algorytm bezużytecznym.
W nowym artykule zespół donosi o niemal bezbłędnym działaniu dwukubitowych bramek splątujących przy wyjątkowo niskim poziomie błędów. Po raz pierwszy zademonstrowali zdolność do splątania atomów przy poziomie błędu poniżej 0,5%. Pod względem jakości działania stawia to wydajność technologii na równi z innymi wiodącymi typami platform obliczeń kwantowych, takimi jak kubity nadprzewodzące i kubity z uwięzionymi jonami.
Jednakże podejście Harvarda ma znaczną przewagę nad tymi konkurentami ze względu na duże rozmiary systemów, efektywną kontrolę kubitów i możliwość dynamicznej rekonfiguracji układu atomów.
„Ustaliliśmy, że ta platforma ma na tyle niski poziom błędów fizycznych, że można sobie wyobrazić wielkoskalowe urządzenia z korekcją błędów oparte na neutralnych atomach” – powiedział pierwszy autor Simon Evered, student Harvard Griffin Graduate School of Arts and Sciences w Lukin’s Grupa. „Nasze poziomy błędów są teraz na tyle niskie, że gdybyśmy zgrupowali atomy w kubity logiczne – gdzie informacja jest przechowywana nielokalnie pomiędzy atomami składowymi – te kubity logiczne skorygowane o błędy kwantowe mogłyby mieć nawet mniejsze błędy niż pojedyncze atomy .”
W tym samym numerze Nature opisano postępy zespołu z Harvardu, a także inne innowacje prowadzone przez byłego absolwenta Harvardu, Jeffa Thompsona, obecnie na Uniwersytecie Princeton, i byłego doktoranta Manuela Endresa, obecnie w California Institute of Technology. Podsumowując, postępy te stanowią podstawę dla algorytmów z korekcją błędów kwantowych i obliczeń kwantowych na dużą skalę. Wszystko to oznacza, że obliczenia kwantowe na układach atomów neutralnych pokazują pełny zakres swoich możliwości.
„Te wkłady otwierają drzwi do bardzo wyjątkowych możliwości w zakresie skalowalnych obliczeń kwantowych i przed nami naprawdę ekscytujący czas dla całej tej dziedziny” – powiedział Lukin.