Nowy system opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Chalmers pokonuje kluczowe ograniczenia w zakresie obliczenia kwantoweumożliwiając trwalsze i odporne na błędy obliczenia.
Komputery kwantowe stoją przed poważnym wyzwaniem ze względu na problem kompromisu. Systemy zdolne do wykonywania złożonych operacji są bardziej podatne na błędy i szumy, podczas gdy te, które są lepiej chronione przed szumami, są zwykle wolniejsze i mniej wydajne w obliczeniach.
Teraz zespół badawczy z Politechniki Chalmers w Szwecji stworzył unikalny system, który rozwiązuje ten dylemat, torując drogę do dłuższych czasów obliczeń i solidniejszych komputerów kwantowych.
Aby wpływ komputerów kwantowych mógł zostać wykorzystany w społeczeństwie, badacze kwantowi muszą najpierw uporać się z kilkoma poważnymi przeszkodami. Jak dotąd błędy i szumy wynikające na przykład z zakłóceń elektromagnetycznych lub fluktuacji magnetycznych powodują, że wrażliwe kubity tracą swoje stany kwantowe, a co za tym idzie, zdolność do kontynuowania obliczeń.
Ilość czasu, w którym komputer kwantowy może pracować nad problemem, jest jak dotąd ograniczona. Ponadto, aby komputer kwantowy mógł rozwiązywać złożone problemy, badacze kwantowi muszą znaleźć sposób na kontrolowanie stanów kwantowych. Podobnie jak samochód bez kierownicy, stany kwantowe można uznać za nieco bezużyteczne, jeśli nie ma skutecznego systemu kontroli umożliwiającego nimi manipulowanie.
Jednakże dziedzina badań stoi przed problemem kompromisu. Z drugiej strony systemy kwantowe, które pozwalają na efektywną korekcję błędów i dłuższe czasy obliczeń, mają słabą zdolność kontrolowania stanów kwantowych – i odwrotnie. Ale teraz zespół badawczy przy Politechnika Chalmers udało się znaleźć sposób na pokonanie tego dylematu.
„Stworzyliśmy system, który umożliwia niezwykle złożone operacje na wielostanowym układzie kwantowym z niespotykaną dotąd szybkością”. mówi Simone Gasparinetti, kierownik laboratorium 202Q na Uniwersytecie Technologicznym Chalmers i główny autor badania.
Odbiega od zasady dwóch stanów kwantowych
Podczas gdy elementy składowe klasycznego komputera, czyli bity, mają wartość 1 lub 0, to najpopularniejsze elementy komputerów kwantowych, kubity, mogą mieć jednocześnie wartość 1 i 0 – w dowolnej kombinacji. Zjawisko to nazywa się superpozycją i jest jednym z kluczowych elementów umożliwiających komputerowi kwantowemu wykonywanie jednoczesnych obliczeń, co daje w rezultacie ogromny potencjał obliczeniowy.
Jednak kubity zakodowane w układach fizycznych są niezwykle wrażliwe na błędy, co skłoniło badaczy w tej dziedzinie do poszukiwania sposobów wykrywania i korygowania tych błędów. System stworzony przez badaczy Chalmersa opiera się na tak zwanym przetwarzaniu kwantowym o zmiennej ciągłej i wykorzystuje oscylatory harmoniczne, rodzaj mikroskopijnego komponentu, do liniowego kodowania informacji.
Oscylatory użyte w badaniu składają się z cienkich pasków materiału nadprzewodzącego ułożonych na podłożu izolacyjnym w celu utworzenia rezonatorów mikrofalowych. Technologia ta jest w pełni kompatybilna z najbardziej zaawansowanymi nadprzewodzącymi komputerami kwantowymi. Metoda ta jest już znana w tej dziedzinie i odbiega od zasady dwóch stanów kwantowych, ponieważ oferuje znacznie większą liczbę fizycznych stanów kwantowych, dzięki czemu komputery kwantowe są znacznie lepiej zabezpieczone przed błędami i szumami.
„Pomyśl o kubicie jako o niebieskiej lampie, którą pod względem mechaniki kwantowej można jednocześnie włączać i wyłączać. Natomiast ciągły, zmienny układ kwantowy jest jak nieskończona tęcza, oferując płynny gradient kolorów. To ilustruje jego zdolność do dostępu do ogromnej liczby stanów, zapewniając znacznie bogatsze możliwości niż dwa stany kubitu” – mówi Axel Eriksson, badacz technologii kwantowej na Politechnice Chalmers i główny autor badania.
Eliminuje problem kompromisu pomiędzy złożonością operacji a odpornością na błędy
Chociaż obliczenia kwantowe o zmiennej ciągłej oparte na oscylatorach harmonicznych umożliwiają lepszą korekcję błędów, ich liniowy charakter nie pozwala na przeprowadzanie skomplikowanych operacji. Podejmowano próby łączenia oscylatorów harmonicznych z układami sterowania, takimi jak nadprzewodnikowe układy kwantowe, ale utrudniał je tak zwany efekt Kerra. Efekt Kerra z kolei miesza wiele stanów kwantowych oferowanych przez oscylator, anulując pożądany efekt.
Umieszczając urządzenie układu sterującego wewnątrz oscylatora, badacze z Chalmers byli w stanie ominąć efekt Kerra i zaradzić problemowi kompromisu. System przedstawia rozwiązanie, które zachowuje zalety oscylatorów harmonicznych, takie jak zasobooszczędna ścieżka w kierunku odporności na błędy, umożliwiając jednocześnie dokładną kontrolę stanów kwantowych z dużą prędkością. System został opisany w artykule opublikowanym w Komunikacja przyrodnicza i może utorować drogę dla solidniejszych komputerów kwantowych.
„Nasza społeczność często próbowała trzymać elementy nadprzewodzące z dala od oscylatorów kwantowych, aby nie zakłócać delikatnych stanów kwantowych. W tej pracy podważyliśmy ten paradygmat. Osadzając urządzenie sterujące w sercu oscylatora, mogliśmy uniknąć mieszania wielu stanów kwantowych, a jednocześnie mogliśmy je kontrolować i nimi manipulować. W rezultacie zademonstrowaliśmy nowatorski zestaw operacji na bramkach wykonywanych z bardzo dużą prędkością” – mówi Simone Gasparinetti.
Odniesienie: „Uniwersalne sterowanie trybem bozonowym poprzez natywne interakcje sześcienne aktywowane napędem” autorstwa Axela M. Erikssona, Théo Sépulcre, Mikaela Kervinena, Timo Hillmanna, Mariny Kudry, Simona Dupouya, Yong Lu, Maryam Khanahmadi, Jiaying Yang, Claudia Castillo- Moreno, Per Delsing i Simone Gasparinetti, 21 marca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-46507-1
Badania sfinansował Politechnika Chalmers.
