Naukowcom z uniwersytetów w Moguncji, Ołomuńcu i Tokio udało się wygenerować kubit logiczny z pojedynczego impulsu świetlnego, który ma naturalną zdolność korygowania błędów.
W dziedzinie obliczeń kwantowych nastąpił znaczny postęp. Wielcy światowi gracze, tacy jak Google i IBM, już oferują usługi obliczeń kwantowych w chmurze. Komputery kwantowe nie są jednak jeszcze w stanie pomóc w rozwiązaniu problemów, które pojawiają się, gdy standardowe komputery osiągają granice swoich możliwości, gdyż dostępność kubitów czy bitów kwantowych, czyli podstawowych jednostek informacji kwantowej, jest wciąż niewystarczająca. Jednym z powodów jest to, że gołe kubity nie nadają się do natychmiastowego wykorzystania w działaniu algorytmu kwantowego.
Podczas gdy bity binarne w zwykłych komputerach przechowują informacje w postaci stałych wartości 0 lub 1, kubity mogą reprezentować 0 i 1 w tym samym czasie, wprowadzając w grę prawdopodobieństwo ich wartości. Nazywa się to superpozycją kwantową. To czyni je bardzo podatnymi na wpływy zewnętrzne, co oznacza, że przechowywane w nich informacje mogą łatwo zostać utracone. Aby komputery kwantowe dostarczały wiarygodnych wyników, konieczne jest wygenerowanie prawdziwego splątania w celu połączenia kilku fizycznych kubitów w kubit logiczny. Jeśli jeden z tych fizycznych kubitów ulegnie awarii, pozostałe kubity zachowają informacje. Jednakże jedną z głównych trudności uniemożliwiających rozwój funkcjonalnych komputerów kwantowych jest duża liczba wymaganych kubitów fizycznych.
Zalety podejścia opartego na fotonach
Aby uczynić obliczenia kwantowe opłacalnymi, stosuje się wiele różnych koncepcji. Duże korporacje polegają obecnie na przykład na nadprzewodzących systemach półprzewodnikowych, ale mają one tę wadę, że działają tylko w temperaturach bliskich zera absolutnego. Z drugiej strony koncepcje fotoniczne działają w temperaturze pokojowej. Pojedyncze fotony zwykle służą tutaj jako fizyczne kubity. Te fotony, które w pewnym sensie są maleńkimi cząsteczkami światła, z natury działają szybciej niż kubity w stanie stałym, ale jednocześnie łatwiej je stracić. Aby uniknąć strat kubitów i innych błędów, konieczne jest połączenie kilku jednofotonowych impulsów świetlnych w celu skonstruowania kubitu logicznego – tak jak w przypadku podejścia opartego na nadprzewodnikach.
Kubit z wrodzoną zdolnością do korekcji błędów
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego wraz z kolegami z Uniwersytetu Jana Gutenberga w Moguncji (JGU) w Niemczech i Uniwersytetu Palackiego w Ołomuńcu w Czechach zademonstrowali niedawno nowy sposób konstruowania fotonicznego komputera kwantowego. Zamiast używać pojedynczego fotonu, zespół zastosował generowany laserowo impuls świetlny, który może składać się z kilku fotonów. „Nasz impuls laserowy został przekształcony w stan optyki kwantowej, który zapewnia nam wrodzoną zdolność korygowania błędów” – stwierdził profesor Peter van Loock z Uniwersytetu w Moguncji. „Chociaż system składa się wyłącznie z impulsu laserowego i dlatego jest bardzo mały, w zasadzie może natychmiastowo wyeliminować błędy”. Zatem nie ma potrzeby generowania pojedynczych fotonów w postaci kubitów za pomocą licznych impulsów świetlnych, a następnie poddawania ich interakcji jak kubity logiczne. „Potrzebujemy tylko jednego impulsu świetlnego, aby uzyskać solidny kubit logiczny” – dodał van Loock. Inaczej mówiąc, kubit fizyczny jest już w tym systemie odpowiednikiem kubitu logicznego – jest to niezwykła i unikalna koncepcja. Jednak kubit logiczny wyprodukowany eksperymentalnie na Uniwersytecie Tokijskim nie miał jeszcze wystarczającej jakości, aby zapewnić niezbędny poziom tolerancji błędów. Niemniej jednak badacze wyraźnie wykazali, że możliwe jest przekształcenie nieuniwersalnie korygowanych kubitów w korygowane kubity przy użyciu najbardziej innowacyjnych metod optyki kwantowej.
Odpowiednie wyniki badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Science. Opierają się one na współpracy trwającej około 20 lat pomiędzy grupą eksperymentalną Akiry Furusawy w Japonii a zespołem teoretycznym Petera van Loocka w Niemczech.