Naukowcy opracowali nowy system korekcji błędów dla komputerów kwantowych, wykorzystujący kody qLDPC i rekonfigurowalne macierze atomów w celu zmniejszenia wymagań dotyczących kubitów fizycznych, zwiększenia skalowalności i wydajności. Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z Pritzker School of Molecular Engineering opracowali nowy komputer kwantowy, który wykorzystuje „rekonfigurowalne atomy”. Te mobilne kubity mogą skutecznie komunikować się z wieloma sąsiadami, zwiększając możliwości korekcji błędów.
A Uniwersytet w Chicago zespół stworzył nowy obliczenia kwantowe model wykorzystujący mniej kubitów do korekcji błędów, zwiększający wydajność i skalowalność dzięki innowacyjnym kodom qLDPC i rekonfigurowalności atom tablice.
Delikatne kubity w komputerach kwantowych zapewniają potężne narzędzie obliczeniowe, ale także stanowią wyzwanie: w jaki sposób inżynierowie mogą stworzyć praktyczne, wykonalne systemy kwantowe z bitów, które tak łatwo zakłócają – i usuwają dane – przez drobne zmiany w ich otoczeniu?
Inżynierowie od dawna zmagają się z tym, jak uczynić komputery kwantowe mniej podatnymi na błędy, często opracowując sposoby wykrywania i korygowania błędów, zamiast w pierwszej kolejności im zapobiegać. Jednak wiele takich schematów korekcji błędów obejmuje powielanie informacji w setkach lub tysiącach fizycznych kubitów na raz, co szybko staje się trudne do efektywnego skalowania.
Teraz zespół naukowców kierowany przez badaczy ze Szkoły Inżynierii Molekularnej Pritzkera (PME) na Uniwersytecie w Chicago opracował projekt komputera kwantowego, który może skuteczniej korygować błędy. System wykorzystuje nową strukturę opartą na kwantowych kodach party-check o niskiej gęstości (qLDPC), które mogą wykrywać błędy na podstawie relacji między bitami, a także nowy sprzęt obejmujący rekonfigurowalne macierze atomów, które umożliwiają kubitom komunikację z więcej sąsiadów i dlatego dane qLDPC mogą być kodowane w mniejszej liczbie kubitów.
„Dzięki proponowanemu planowi zmniejszyliśmy obciążenie wymagane do korekcji błędów kwantowych, co otwiera nowe możliwości skalowania komputerów kwantowych” – powiedział Liang Jiang, profesor inżynierii molekularnej i główny autor nowej pracy opublikowanej w czasopiśmie Fizyka Przyrody.
Wewnętrzny hałas
Podczas gdy standardowe komputery do kodowania danych wykorzystują bity cyfrowe – w pozycji włączonej lub wyłączonej – kubity mogą istnieć w stanach superpozycji, co daje im możliwość rozwiązywania nowych problemów obliczeniowych. Jednak unikalne właściwości kubitów czynią je również niezwykle wrażliwymi na otoczenie; zmieniają stany w zależności od temperatury otoczenia i elektromagnetyzmu.
„Systemy kwantowe są z natury hałaśliwe. Naprawdę nie ma sposobu na zbudowanie maszyny kwantowej, która nie będzie zawierać błędów” – powiedział Qian Xu, absolwent PME, który kierował nowymi pracami. „Musisz mieć sposób na aktywną korekcję błędów, jeśli chcesz skalować swój system kwantowy i uczynić go użytecznym do zadań praktycznych”.
Przez ostatnie kilka dziesięcioleci naukowcy w układach kwantowych skupiali się głównie na jednym typie korekcji błędów, zwanym kodami powierzchniowymi. W tych systemach jednocześnie koduje się tę samą informację logiczną w wielu bitach fizycznych, ułożonych w dużą dwuwymiarową siatkę. Błędy można wywnioskować porównując kubity z ich bezpośrednimi sąsiadami. Niedopasowanie sugeruje, że jeden kubit uległ uszkodzeniu.
„Problem polega na tym, że potrzebujesz ogromnych nakładów zasobów” – powiedział Xu. „W niektórych z tych systemów na każdy kubit logiczny potrzeba tysiąca fizycznych kubitów, więc na dłuższą metę nie sądzimy, abyśmy mogli skalować to do bardzo dużych komputerów”.
Obniżenie redundancji
W swoim nowym systemie Jiang, Xu i współpracownicy z Harvard University, Caltech, University of Arizona i QuEra Computing chcieli zamiast tego używać kodów qLDPC do poprawiania błędów. Ten rodzaj korekcji błędów był rozważany od dawna, ale nie został wdrożony w realistyczny projekt.
W przypadku kodów qLDPC dane w kubitach są porównywane nie tylko z bezpośrednimi sąsiadami, ale także z bardziej odległymi kubitami. Umożliwia użycie mniejszej siatki kubitów w celu uzyskania tej samej liczby porównań w celu korekcji błędów. Jednak tego rodzaju komunikacja na duże odległości między kubitami zawsze była problemem przy wdrażaniu qLDPC.
Naukowcy wpadli na rozwiązanie w postaci nowego sprzętu: rekonfigurowalnych atomów, które można przesuwać za pomocą laserów, aby umożliwić kubitom komunikację z nowymi partnerami.
„Dzięki dzisiejszym rekonfigurowalnym systemom macierzy atomowych możemy kontrolować i manipulować ponad tysiącem fizycznych kubitów z dużą wiernością oraz łączyć kubity oddzielone dużą odległością” – powiedział Harry Zhou z Uniwersytetu Harvarda i QuEra Computing. „Dopasowując strukturę kodów kwantowych do możliwości sprzętowych, możemy wdrożyć bardziej zaawansowane kody qLDPC za pomocą zaledwie kilku linii sterujących, dzięki czemu ich realizacja będzie w zasięgu współczesnych systemów eksperymentalnych”.
Kiedy połączyli kody qLDPC z rekonfigurowalnymi układami atomów neutralnych, zespołowi udało się osiągnąć wyższy poziom błędów niż przy użyciu kodów powierzchniowych zawierających zaledwie kilkaset fizycznych kubitów. W przypadku skalowania w górę algorytmy kwantowe obejmujące tysiące kubitów logicznych można zrealizować przy użyciu mniej niż 100 000 kubitów fizycznych, co jest znacznie wydajniejsze niż złote standardy kodów powierzchniowych.
„Nadal występuje nadmiarowość w kodowaniu danych w wielu fizycznych kubitach, ale pomysł jest taki, że znacznie zmniejszyliśmy tę nadmiarowość” – powiedział Xu.
Ramy są nadal teoretyczne, chociaż naukowcy szybko opracowują platformy macierzy atomowych, które zmierzają w kierunku praktycznego zastosowania obliczeń kwantowych z korekcją błędów. Zespół PME pracuje obecnie nad dalszym udoskonaleniem swojego projektu i zapewnieniem możliwości wykorzystania w obliczeniach kubitów logicznych opartych na kodach qLDPC i rekonfigurowalnych tablicach atomów.
„Uważamy, że na dłuższą metę pozwoli nam to zbudować bardzo duże komputery kwantowe o niższym poziomie błędów” – powiedział Xu.
Odniesienie: „Obliczenia kwantowe odporne na błędy, odporne na błędy z rekonfigurowalnymi układami atomów” autorstwa Qian Xu, J. Pablo Bonilla Ataides, Christopher A. Pattison, Nithin Raveendran, Dolev Bluvstein, Jonathan Wurtz, Bane Vasić, Mikhail D. Lukin, Liang Jiang i Hengyun Zhou, 29 kwietnia 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02479-z
