Naukowcy opracowali przełomową hybrydową technikę korekcji błędów kwantowych, która integruje metody zmiennych dyskretnych i ciągłych.
To nowe podejście zwiększa odporność na awarie i wydajność obliczenia kwantoweoferując nawet czterokrotnie więcej foton próg strat i 13 razy większą efektywność wykorzystania zasobów. Technika ta, odpowiednia dla różnych systemów, w tym systemów optycznych, nadprzewodników i pułapek jonowych, stanowi znaczący postęp w architekturze obliczeń kwantowych.
Kwantowa korekcja błędów
Istotnym wyzwaniem w realizacji praktycznych komputerów kwantowych jest rozwój technologii „kwantowej korekcji błędów”. Technologia ta koryguje błędy w kubitach – podstawowych składnikach obliczeń kwantowych – zapobiegając pogłębianiu się błędów podczas obliczeń. Bez tej poprawki komputery kwantowe nie będą w stanie przewyższyć wydajnością komputerów tradycyjnych, dlatego na całym świecie trwają wysiłki mające na celu rozwój tej technologii.
Pionierskie techniki hybrydowe w obliczeniach kwantowych
W Koreańskim Instytucie Nauki i Technologii (KIST), dr Seung-Woo Lee i jego zespół z Centrum Badań nad Technologią Kwantową są pionierami pierwszej na świecie hybrydowej techniki korekcji błędów kwantowych. Ta nowa metoda działa zarówno ze zmiennymi dyskretnymi (DV), jak i zmiennymi ciągłymi (CV), tworząc podstawę odpornej na błędy architektury obliczeń kwantowych.
Kwantowa korekcja błędów realizowana jest za pomocą kubitów logicznych, które występują w dwóch postaciach: DV i CV. Największe firmy technologiczne, takie jak IBM, Google, Quera i PsiQuantum, koncentrują się na podejściu DV, podczas gdy inne, w tym Amazon (AWS) i Xanadu, wolą używać CV. Każda metoda ma swój własny zestaw mocnych i słabych stron, szczególnie pod względem złożoności i efektywności wykorzystania zasobów.
Postępy w odpornych na uszkodzenia architekturach kwantowych
Badacze z projektu KIST zaproponowali metodę integracji korekcji błędów kubitów DV i CV, które wcześniej opracowano oddzielnie. Opracowali architekturę odporną na błędy w oparciu o technologię hybrydową i za pomocą symulacji numerycznych wykazali, że łączy ona w sobie zalety obu metod, umożliwiając bardziej wydajne i skuteczne obliczenia kwantowe oraz korekcję błędów. W szczególności w optycznym przetwarzaniu kwantowym podejście hybrydowe pozwala osiągnąć próg utraty fotonów nawet czterokrotnie wyższy niż w przypadku istniejących technik i może ponad 13-krotnie poprawić efektywność wykorzystania zasobów przy zachowaniu tego samego poziomu współczynnika błędów logicznych.
Implikacje dla przyszłych technologii obliczeń kwantowych
„Hybrydową technologię korekcji błędów kwantowych opracowaną w ramach tego badania można łączyć nie tylko z systemami optycznymi, ale także z nadprzewodnikami i systemami pułapek jonowych” – powiedział dr Jaehak Lee z KIST. „Te badania wyznaczają nowy kierunek rozwoju obliczeń kwantowych” – powiedział dr Seung-Woo Lee z KIST, który kierował badaniami. „Oczekuje się, że technologie hybrydowe, które integrują zalety różnych platform, odegrają kluczową rolę w rozwoju i komercjalizacji wielkoskalowych komputerów kwantowych”.
Strategiczna współpraca usprawnia badania kwantowe
KIST podpisał protokół ustaleń (MOU) z firmą Uniwersytet w Chicago w marcu ubiegłego roku do współpracy w zakresie badań nad technologią kwantową, z udziałem obu instytucji i Uniwersytetu Narodowego w Seulu. Naukowcy ogłosili to ważne osiągnięcie w ciągu nieco ponad roku w ramach międzynarodowej współpracy badawczej, pokazując potencjał w zakresie opracowania podstawowych technologii, które będą liderem świata w wysoce konkurencyjnej dziedzinie obliczeń kwantowych. KIST jest gospodarzem międzynarodowego wspólnego centrum badawczego zajmującego się rozwojem podstawowych technologii korekcji błędów kwantowych, z instytucjami partnerskimi, w tym z Uniwersytetem w Chicago, Uniwersytetem Narodowym w Seulu i kanadyjską firmą Xanadu zajmującą się obliczeniami kwantowymi.
Odniesienie: „Fault-Tolerant Quantum Computation by Hybrid Qubits with Bosonic Cat Code and Single Photons” autorstwa Jaehaka Lee, Nuri Kanga, Seok-Hyung Lee, Hyunseok Jeong, Liang Jiang i Seung-Woo Lee, 2 sierpnia 2024 r., PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.030322
Badania te były wspierane przez Ministerstwo Nauki i ICT (Minister Sang-Im Yoo) w ramach głównego projektu KIST i projektu współpracy w dziedzinie technologii kwantowej (2022M3K4A1094774). Wyniki badania opublikowano 2 sierpnia w międzynarodowym czasopiśmie PRX Quantum (IF: 9,2 JCR, góra 1,9%).
