Kvantinių kompiuterių kūrėjai sprendžia svarbiausią problemą – kaip patikimai taisyti kubitų klaidas

Sekite TechNaujienos Google

Kvantinių kompiuterių pažangą ilgą laiką stabdo viena esminė problema – kubitai yra itin jautrūs triukšmui ir klaidoms. Naujausi darbai rodo, kad kvantinių klaidų korekcija tampa vis praktiškesnė ir artėja prie etapo, kai loginius kubitus bus galima patikimai išlaikyti ilgiau nei fizinius.

Šiuolaikinės kvantinių klaidų korekcijos schemos naudoja daug fizinių kubitų vienam loginiam kubitui apsaugoti. Sistema nuolat tikrina klaidų požymius ir koreguoja būseną tiesiogiai nematuodama pačios kvantinės informacijos.

Kodėl klaidų korekcija yra tokia svarbi?

Įprasti kompiuteriai klaidas aptinka ir taiso naudodami papildomus bitus. Kvantiniame kompiuteryje tai sudėtingiau, nes kvantinės būsenos negalima paprastai nukopijuoti, o matavimas ją pakeičia.

Dėl to mokslininkai kuria specialias kodavimo schemas, tokias kaip paviršiaus kodai. Jei klaidų lygis tampa pakankamai mažas, didinant fizinių kubitų skaičių galima ne bloginti, o gerinti bendrą patikimumą.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 11 minučių

Kalifornija oficialiai stato ant branduolių sintezės – prasideda nauja lenktynių dėl „Saulės Žemėje“ fazė

4 min. skaitymo • prieš 26 minutės

Naujas įrankis parodo tikrą kvantinių kompiuterių kainą – kiek fizinių kubitų reikės patikimam skaičiavimui

4 min. skaitymo • prieš 56 minutės

Europa plečia milžinišką autonominių automobilių bandymų zoną per kelias valstybes

Visi naujausi straipsniai →

Kelias į realiai naudingus kvantinius kompiuterius

Didelės apimties kvantiniai algoritmai chemijai, medžiagų mokslui ar kriptografijai reikalauja daugybės nuoseklių operacijų. Be klaidų korekcijos tokios programos nutrūktų dar prieš gaunant rezultatą.

Kvantinių klaidų korekcija yra viena iš priežasčių, kodėl įspūdingi fizinių kubitų skaičiai dar nereiškia praktiškai naudingo kvantinio kompiuterio. Vienas fizinis kubitas yra trapus: jį veikia šiluminis triukšmas, elektromagnetiniai trikdžiai ir net pačios valdymo operacijos. Todėl ilgoms programoms reikia ne vien daugiau kubitų, bet ir būdo aptikti klaidas nesunaikinant saugomos kvantinės informacijos.

Loginis kubitas šią problemą sprendžia paskirstydamas informaciją per daug fizinių kubitų. Sistema matuoja vadinamuosius sindromus – netiesioginius požymius, rodančius, kur galėjo įvykti klaida. Tada programinė įranga nusprendžia, kaip ją koreguoti. Tai labai panašu į klaidų taisymą duomenų perdavime, tik kvantiniame pasaulyje negalima paprasčiausiai nukopijuoti būsenos atsargai.

Svarbiausias etapas yra pasiekti vadinamąją „break-even“ ar žemiau slenksčio esančią zoną, kai pridėjus daugiau fizinių kubitų loginio kubito klaidų lygis mažėja, o ne didėja. Jei tai pavyksta stabiliai, atsiranda kelias į didesnes sistemas, kuriose galima vykdyti ilgus algoritmus.

Tačiau kaina yra milžiniška. Vienam patikimam loginiam kubitui gali prireikti daug fizinių kubitų, sudėtingos valdymo elektronikos ir realaus laiko dekoderių. Todėl ateities kvantinis kompiuteris gali turėti milijonus fizinių kubitų, nors programai prieinamas loginių kubitų skaičius bus gerokai mažesnis.

Dėl to klaidų korekcijos pažanga yra svarbesnė už vienkartinį kubitų rekordą. Jei mokslininkai gali parodyti, kad didesnis kodas iš tikrųjų pagerina loginį patikimumą, tai yra vienas aiškiausių signalų, kad kvantinė kompiuterija juda nuo laboratorinių demonstracijų link inžinerinės sistemos.

Praktikoje tai reiškia, kad kvantinės kompiuterijos pažangą vis dažniau reikėtų vertinti ne pagal „kubitų skaičių“, o pagal loginės klaidos tikimybę ir tai, kiek operacijų galima atlikti iki rezultatas tampa nepatikimas. Tokie rodikliai yra mažiau patrauklūs rinkodarai, bet daug geriau parodo tikrą technologijos brandą.

Dar vienas iššūkis – klaidų korekcijos dekodavimas realiu laiku. Sistema turi labai greitai interpretuoti milijonus matavimų ir nuspręsti, kokia klaida tikriausiai įvyko. Tai sukuria didžiulį klasikinių kompiuterių darbo krūvį šalia paties kvantinio procesoriaus, todėl ateities kvantinis kompiuteris bus hibridinė sistema, kurioje klasikinė ir kvantinė dalys dirba beveik neatskiriamai.

Šiame etape pažanga greičiausiai bus laipsniška, o ne vienas staigus „kvantinis lūžis“. Kiekvienas sumažintas klaidų lygis, geresnis dekoderis ar stabilesnis loginis kubitas mažina bendrą resursų poreikį. Sukaupus daug tokių patobulinimų gali atsirasti praktinė sistema, nors nė vienas atskiras žingsnis savaime neatrodo revoliucinis.

Daugiau apie kvantines technologijas skaitykite TechNaujienos.lt mokslo rubrikoje.