Centrum Obliczeń Kwantowych RIKEN opracowało nową metodę korekcji błędów kwantowych, „kody wielu hipersześcianów”, która zapewnia wydajną i równoległą korekcję błędów w systemach odpornych na błędy obliczenia kwantowe.
Metoda ta wykorzystuje złożoną geometryczną strukturę kodu, zdolną do osiągnięcia wysokich szybkości kodowania i możliwości przetwarzania równoległego porównywalnych z klasycznymi obliczeniami o wysokiej wydajności, co czyni ją potencjalnym przełomem w obliczeniach kwantowych.
Kody wielu hipersześcianów
W pracy opublikowanej 4 września w czasopiśmie Postęp naukiHayato Goto z Centrum Obliczeń Kwantowych RIKEN w Japonii zaproponował nowe podejście do korekcji błędów kwantowych przy użyciu tego, co nazywa „kodami wielu hipersześcianów”. To podejście, które okazuje się mieć elegancką geometrię, może pomóc w realizacji niezwykle wydajnej korekcji błędów i przyczynić się do opracowania wysoce równoległych metod, które umożliwią odporne na błędy obliczenia kwantowe, co będzie kolejnym etapem ewolucji komputerów kwantowych.
Według Goto: „Dzięki niedawnym postępom eksperymentalnym istnieje obecnie wielka nadzieja, że będziemy w stanie zbudować odporne na awarie komputery kwantowe, czyli komputery kwantowe, które będą w stanie korygować błędy i przewyższać mocą konwencjonalnych komputerów w niektórych zadaniach. Aby to osiągnąć, ważne jest jednak opracowanie skutecznej korekcji błędów kwantowych”.
Wyzwania związane z korekcją błędów kwantowych
W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat naukowcy zaproponowali wiele różnych metod korekcji błędów. Konwencjonalne podejście do korekcji błędów kwantowych zazwyczaj opiera się na kodowaniu pojedynczego kubitu logicznego – który jest odpowiednikiem bitu w klasycznym komputerze – na wielu splątanych kubitach fizycznych, a następnie użyciu dekodera w celu odzyskania kubitu logicznego z kubitów fizycznych .
Jednak skalowalność stanowi problem w tym podejściu, ponieważ liczba wymaganych kubitów fizycznych ogromnie wzrasta, co skutkuje ogromnymi narzutami zasobów.
Aby przezwyciężyć ten problem, rozważono kody kwantowe o dużej szybkości, takie jak kwantowe kody kontroli parzystości o niskiej gęstości. Jednakże przy takim podejściu bramki logiczne, które umożliwiają obliczenia, muszą być ustawione dość sekwencyjnie, a nie całkowicie równolegle, co czyni je mniej efektywnymi pod względem czasowym.
Innowacje w informatyce kwantowej
Aby temu zaradzić, Goto zaproponował zastosowanie podejścia, które nazywa „kodami wielu hipersześcianów”. W szczególności jest to metoda o złożonej nazwie — łączone kody kwantowe o dużej szybkości — a innowacyjność polega na tym, że kubity logiczne można wizualizować matematycznie jako tworzące tak zwany „hipersześcian” — rodzaj kształtu, w tym kwadraty i kostki, a także kształty wyższego rzędu, takie jak tesserakt. Piękna matematyczna i geometryczna struktura kodu jest niezwykła, ponieważ większość kodów kwantowych o dużej szybkości ma skomplikowane struktury.
Goto podkreśla, że aby nowe kody zapewniały wyższą wydajność, musiał opracować nowatorski, dedykowany dekoder, który byłby w stanie zinterpretować wynik na podstawie fizycznych kubitów. Ta innowacyjna technika opiera się na dekodowaniu minimalnej odległości poziom po poziomie, co pozwala na wysoką wydajność. W przeciwieństwie do innych podobnych metod, pozwala również na łączenie bramek logicznych równolegle, a nie szeregowo, co sprawia, że system jest analogiczny do przetwarzania równoległego w klasycznych komputerach, co skłoniło Goto do nazwania go w ramach analogii „wysokowydajnym przetwarzaniem odpornym na awarie”. do „obliczeń o wysokiej wydajności”, które są wykorzystywane w obliczeniach masowo równoległych.
Osiągnięcie wysokiej wydajności tolerancji na błędy
Praca się opłaciła. Kody osiągają współczynnik kodowania – liczbę wskazującą stosunek kubitów logicznych do fizycznych – do 30%, co według Goto wydaje się być najwyższym na świecie wśród kodów używanych do obliczeń kwantowych odpornych na błędy. Nawet przy tak dużej szybkości wydajność jest porównywalna z konwencjonalnymi kodami o niskiej szybkości.
Goto mówi: „W praktyce ten kod można zaimplementować za pomocą fizycznych systemów kubitów, takich jak kubity z atomami neutralnymi uwięzionymi laserowo”.
Odniesienie: „Wysoko wydajne, odporne na błędy obliczenia kwantowe z kodami wielu hipersześcianów”, Hayato Goto, 4 września 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adp6388
