Naukowcy z siedzibą w AWS Center for Quantum Computing na kampusie Caltech wykonali skok do przodu, zastanawiając się, jak tłumić błędy w komputerach kwantowych, nieznośnie, który nadal jest największą przeszkodą w budowaniu maszyn przyszłości.
Komputery kwantowe, które są oparte na pozornie magicznych właściwościach królestwa kwantowego, obiecują stosowanie w wielu różnych dziedzinach, w tym w medycynie, nauk o materiałach, kryptografii i fundamentalnej fizyce. Ale chociaż dzisiejsze komputery kwantowe mogą być przydatne do badania niszowych obszarów fizyki, komputer kwantowy o ogólnym przeznaczeniu zdolnym do rozwiązywania bardziej zaawansowanych problemów nie jest jeszcze możliwy ze względu na jego nieodłączną wrażliwość na hałas. Wibracje, ciepło, zakłócenia elektromagnetyczne z telefonów komórkowych i sieci Wi-Fi, a nawet promieniowanie kosmiczne i promieniowanie z przestrzeni kosmicznej, mogą powalić kubity-bity kwantowe-z ich stanu kwantowego. W rezultacie komputery kwantowe popełniają znacznie więcej błędów niż ich klasyczne odpowiedniki komputerowe.
Zgłoszenie w wydaniu czasopisma Nature z 26 lutego, zespół naukowców z AWS i Caltech pokazuje nową architekturę chipów kwantowych do tłumienia błędów przy użyciu rodzaju qubit znanego jako qubit CAT. Kubity CAT zostały po raz pierwszy zaproponowane w 2001 r. I od tego czasu naukowcy je opracowali i udoskonalili. Teraz zespół AWS złożył pierwszy skalowalny chip qubit CAT, który można wykorzystać do skutecznego zmniejszenia błędów kwantowych. Nowy układ obliczeń kwantowych nazywany jest nazwanym na cześć plamistego dzikiego kota, a jednocześnie skinął głową wewnętrznej technologii „oscylatora”, która leży u podstaw kątów.
„Aby komputery kwantowe odnieśli sukces, potrzebujemy wskaźników błędów, aby były około miliarda razy lepsze niż są dzisiaj”, mówi Oskar Painter (PhD '01), John G Braun profesor fizyki stosowanej i fizyki w Caltech i szef sprzętu kwantowego w AWS. „Wskaźniki błędów spadają o dwa lata co dwa lata. W tym tempie zajęłoby nam 70 lat, aby dotrzeć do miejsca, w którym musimy. Zamiast tego opracowujemy nową architekturę chipów, która może być w stanie zapewnić nam szybciej. To powiedziawszy, to jest wczesny blok. Nadal mamy wiele do zrobienia”.
Kubity oparte są na 1s i 0, takich jak te w klasycznych komputerach, ale 1s i 0 są w stanie superpozycji. Oznacza to, że mogą przyjąć dowolną kombinację 1 i 0 jednocześnie. Oznacza to również, że są kruche i mogą bardzo łatwo wypadnąć z superpozycji. „To, co czyni kubiki potężne, sprawia, że są wrażliwe na błędy kwantowe” – mówi Painter.
Klasyczne cyfrowe systemy komputerowe mają prosty sposób obsługi błędów. Zasadniczo projektanci tych systemów wykorzystują dodatkowe zbędne bity do ochrony danych przed błędami. Na przykład pojedyncza informacja jest replikowana na trzech bitach, dzięki czemu każdy bit miał dwóch partnerów kopii zapasowych. Jeśli jeden z tych bitów ma błąd (odwraca się od 1 do 0 lub 0 do 1), a pozostałe dwa nie odwróciły się, prosty kod-w tym przypadku, co nazywa się trójdzielnym kodem powtarzania-może być użyte do wykrywania błędu i przywrócenia nieparzystych.
Ze względu na złożoność superpozycji występującej w kubitach, mogą mieć dwa rodzaje błędów: odwracanie bitowe, jak w klasycznych systemach cyfrowych i odwrotne fazie, w których stany kubit 1 i 0 stają się ze sobą poza fazą (lub zsynchronizowane). Naukowcy opracowali wiele strategii obsługi obu typów błędów w systemach kwantowych, ale metody wymagają kubitów posiadania znacznej liczby partnerów kopii zapasowych. W rzeczywistości obecne technologie Qubit mogą wymagać tysięcy dodatkowych kubitów, aby zapewnić pożądany poziom ochrony przed błędami. Byłoby to jak sklep z gazetą wykorzystującym ogromny budynek sprawdzających faktów w celu zweryfikowania dokładności swoich artykułów zamiast tylko małego zespołu. Koszty komputerów kwantowych są nadmierne i nieporęczne.
„Jesteśmy w długoterminowym dążeniu do zbudowania użytecznego komputera kwantowego do robienia rzeczy, których nawet najlepsi superkomputery nie mogą zrobić, ale ich skalowanie jest ogromnym wyzwaniem”, mówi współautor badań Fernando Brandão, profesor fizyki teoretycznej w Caltech i dyrektor ds. Science Applied Science w AWS. „Tak więc próbujemy nowych podejść do korekcji błędów, które zmniejszy koszty ogólne”.
Nowy schemat zespołu opiera się na rodzaju Qubit utworzonego z obwodów nadprzewodników wykonanych z oscylatorów mikrofalowych, w których stany 1 i 0 reprezentujące Qubit są zdefiniowane jako dwie różne amplitudy oscylacji na dużą skalę. To sprawia, że qubit są bardzo stabilne i nieprzepuszczalne dla błędów bitowych. „Możesz pomyśleć o dwóch stanach oscylujących jako o dziecku na huśtawce, które huśta się z wysokimi amplitudami, ale albo huśtając się w lewo, albo w prawo. Wiatr może pojawić się i wyprzedzać huśtawkę, ale amplituda oscylacji jest tak duża, że nie może szybko przełączać się z jednego kierunku huśtania się na drugie”, wyjaśnia Painter.
W rzeczywistości nazwa kubitów „CAT” odnosi się do zdolności tych kubitów do przyjmowania dwóch bardzo dużych lub makroskopowych stanów jednocześnie – podobnie jak słynny kot w eksperymencie myślowym Erwin Schrödingera, który może być zarówno martwy, jak i żywy jednocześnie.
Ponieważ kubity CAT radykalnie zmniejszyły błędy flapu bitowego, jedynymi błędami do poprawienia są błędy odwrotu fazowego. A korygowanie tylko jednego rodzaju błędu oznacza, że naukowcy mogą użyć kodu powtarzania, takiego jak te używane do ustalania błędów flipy bitowej w systemach klasycznych.
„Klasyczny kod, taki jak kod powtarzania w OLOL, oznacza, że nowe układy nie będą wymagały tylu kubitów do korygowania błędów”, mówi Brandão. „Wykazaliśmy bardziej skalowalną architekturę, która może zmniejszyć liczbę dodatkowych kubitów potrzebnych do korekty błędów nawet o 90 procent”.
Chip OLOT osiąga to poprzez połączenie pięciu kubitów CAT, wraz ze specjalnymi obwodami buforowymi w celu ustabilizowania ich oscylacji, oraz cztery dodatkowe kubity w celu wykrycia błędów fazowych. Wyniki przedstawione w artykule Nature pokazują, że prosty kod powtarzania zespołu skutecznie łapa błędy fazy fazowej i poprawia się wraz ze wzrostem kodu z trzech kubitów CAT do pięciu kubitów CAT. Co więcej, proces wykrywania błędu fazowego został zaimplementowany w sposób, który utrzymywał wysoki poziom supresji błędu bitu w kubitach CAT.
Ta demonstracja z koncepcji koncepcji wciąż ma sposób, ale Painter twierdzi, że jest podekscytowany występem, który Ocelot wykazał się tak szybko i że zespół przeprowadza więcej badań, aby zwiększyć technologię. „To bardzo trudny problem, a my będziemy musieli nadal inwestować w badania podstawowe, jednocześnie pozostając w kontakcie i ucząc się ważnej pracy w środowisku akademickim” – mówi.
Badanie przyrodnicze zatytułowane „Korekta błędów kwantowych za pośrednictwem połączeń bozonicznych” zostało sfinansowane przez AWS. Oprócz wielu badaczy AWS, inni autorzy Caltech to John Prenill, Richard P. Feynman Profesor fizyki teoretycznej oraz Allen VC Davis i Lenabelle Davis Leadership przewodniczący Instytutu Informacji i Materiału IQIM, oraz Gila Refaela, Taylor W. Lawrence.