Projekt studenta fizyki może sprawić że komputery kwantowe będą dwukrotnie bardziej niezawodne

Ulepszenie przez studenta kodu obliczeń kwantowych może podwoić jego zdolność wychwytywania błędów, wzbudzając zainteresowanie programem obliczeń kwantowych firmy Amazon.

Nowy kod mógłby zostać użyty do zbudowania komputerów kwantowych, które sprostają obietnicom błyskawicznego czasu przetwarzania i możliwości rozwiązywania bardziej złożonych problemów, niż mogłyby sobie poradzić tradycyjne komputery. Jak dotąd tylko dwa komputery osiągnęły „supremację kwantową”, czyli zdolność wykonywania obliczeń kwantowych szybciej niż najszybszy superkomputer. Jednak żaden z tych komputerów nie wykorzystywał kodów korekcji błędów [error correction codes], które będą niezbędne do zwiększenia skali obliczeń kwantowych w celu ich powszechnego i niezawodnego zastosowania – stwierdzili naukowcy biorący udział w nowym badaniu.

Zwykłe obliczenia zależą od „bitów”, które są jak przełączniki, które mogą przełączać się między pozycjami „włączone” lub „wyłączone”. Pozycja bitów koduje informacje. Obliczenia kwantowe dodają warstwę złożoności, wykorzystując fakt, że w bardzo małych skalach właściwości fizyczne stają się dziwne: kubity, kwantowe wersje bitów, mogą być jednocześnie włączone i wyłączone, co jest stanem zwanym superpozycją. Kubity mogą się również “zaplątać”, co oznacza, że ​​nawet jeśli nie mają fizycznego kontaktu, stan jednego wpływa na stan drugiego. Oznacza to, że komputery kwantowe mogą kodować informacje w bardziej złożony sposób, przechowując informacje w tych dziwnych stanach kwantowych. Kubity mogą składać się z wielu różnych rodzajów cząstek kwantowych,

Skłonność do błędu

Jest jednak pewien haczyk. Kubity są wrażliwe na zakłócenia w środowisku i dlatego są podatne na błędy. Błędy te ograniczają wydajność obliczeń kwantowych, co jest jednym z powodów, dla których ta dziedzina jest wciąż w powijakach, powiedział w oświadczeniu główny autor badania Pablo Bonilla Ataides, student studiów licencjackich na Uniwersytecie w Sydney. Bonilla kierował rozwojem nowego kodu w ramach swojego projektu fizycznego na drugim roku. Google, IBM i inne grupy akademickie i branżowe pracują nad zbudowaniem komputerów kwantowych, ale jak dotąd są w fazie eksperymentalnej.

„Pracujemy nad tym, jak złożyć razem części komputerów kwantowych w taki sposób, że jeśli pójdzie coś źle – a pójdzie – komputer kwantowy i tak będzie działać” – powiedział Benjamin Brown, współautor badania i fizyk kwantowy na Uniwersytecie w Sydney.

Bonilla i Brown wraz ze swoimi współpracownikami wymyślili poprawkę kodowania, aby skorygować błędy, które powodują, że komputery kwantowe są zawodne. Zmiana dotyczy wyspecjalizowanego kodu, który poprawia błędy, o których wiadomo, że są bardziej powszechne niż inne typy, powiedział Brown.

W klasycznym komputerze niekwantowym bity kodują informacje za pomocą serii zer i jedynek. Jedynym rodzajem błędu, który może wystąpić w tym systemie, jest błąd „odwrócenia bitu”, w którym 1 zamienia się w 0 lub odwrotnie. Te błędy są dość rzadkie w tradycyjnych komputerach.

W komputerach kwantowych występują również błędy odwracania bitów. Ale ponieważ kubity są bardziej złożone niż tradycyjne bity, mogą również zawierać bardziej złożone błędy. Innym częstym rodzajem błędu w obliczeniach kwantowych jest dephasing error. W takim przypadku wartość informacji zmienia się z dodatniej na ujemną lub odwrotnie. Trzymając się zera i jedynki (chociaż systemy kwantowe nie są w rzeczywistości binarne, jak tradycyjne komputery), dodatnie 1 zmieniłoby się na ujemne 1. Te błędy mogą się zdarzyć z wielu różnych przyczyn fizycznych, powiedział Brown. Kubity mogą zmieniać swój moment pędu lub spin. Mogą się ze sobą splątać lub nieumyślnie “zaplątać się” z czymś, że świat zewnętrznego. Niezależnie od przyczyny skutkiem jest utrata informacji.

„Jeśli niektóre bity zaczną się zmieniać ze stanu, w którym powinieneś się znajdować, na inny, w końcu da ci to złe odpowiedzi i nie będzie to zbyt użyteczne” – powiedział Brown.

Naprawianie błędów kwantowych

Nowy kod podwaja “wyłapywanie” błędów w porównaniu z poprzednim kodem korekcji błędów, powiedział Bonilla w oświadczeniu. Naukowcy osiągnęli to w zaskakująco prosty sposób: po prostu zmienili współrzędne na każdym kubicie w systemie. Gdyby każdy kubit był kulą, a każda informacja zakodowana w kubicie była punktem na tej kuli, kod obróciłby połowę kuli, tak aby dół był zdefiniowany jako góra, a góra był zdefiniowany jako dół. Ta struktura chroni informacje przed dephasing error, jednocześnie chroni również przed błędami odwracania bitów.

Naukowcy współpracują teraz z naukowcami z Yale University i Amazon Web Services, którzy opracowują kubity, które dobrze współpracują z tego typu kodem, powiedział Brown.

„Mamy nadzieję posunąć się naprzód, aby naprawdę pomóc w budowie komputera kwantowego” – powiedział.

Naukowcy opisali swoje nowe badanie 12 kwietnia w czasopiśmie Nature Communications.

Źródło: Stephanie Pappas

Student’s physics homework picked up by Amazon quantum researchers

The XZZX surface code

Zdjęcie: Shutterstock

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x