Oamenii de știință sunt cu un pas mai aproape de calculatoarele cuantice care corectează erorile

Se întâmplă greșeli – în special în calculatoarele cuantice. Biții cuantici fragili, sau qubiții, care alcătuiesc mașinile sunt în mod notoriu predispuși la erori, dar acum oamenii de știință au demonstrat că pot repara problemele.

Calculatoarele care exploatează regulile mecanicii cuantice sunt promițătoare pentru a face calcule mult la îndemâna computerelor standard (SN: 29/06/17). Dar fără un mecanism de remediere a greșelilor computerelor, răspunsurile pe care le scuipă un computer cuantic ar putea fi înghițite (SN: 22/06/2020).

Combinarea puterii mai multor qubiți într-unul singur poate rezolva problemele de eroare, raportează cercetătorii din 4 octombrie Natură. Oamenii de știință au folosit nouă qubiți pentru a face un singur qubit îmbunătățit, numit qubit logic, care, spre deosebire de qubiții individuali din care a fost făcut, poate fi testat pentru a verifica dacă există greșeli.

„Aceasta este o demonstrație cheie în calea construirii unui computer cuantic la scară largă”, spune fizicianul cuantic Winfried Hensinger de la Universitatea Sussex din Brighton, Anglia, care nu a fost implicat în noul studiu.

Totuși, această cale rămâne una lungă, spune Hensinger. Pentru a face calcule complexe, oamenii de știință vor trebui să crească dramatic numărul de qubiți din mașini. Dar acum, că oamenii de știință au demonstrat că pot ține erorile sub control, spune el, „nu există nimic care ne împiedică în mod fundamental să construim un computer cuantic util”.

Într-un qubit logic, informațiile sunt stocate redundant. Acest lucru le permite cercetătorilor să verifice și să repare greșelile din date. „Dacă o parte din ea dispare, o puteți reconstrui din celelalte bucăți, cum ar fi Voldemort”, spune fizicianul cuantic David Schuster de la Universitatea din Chicago, care nu a fost implicat în noua cercetare. (Cel Harry Potter ticălosul și-a păstrat sufletul în siguranță ascunzându-l în mai multe obiecte numite Horcruxuri.)

În noul studiu, patru qubiți suplimentari, auxiliari, au interfațat cu qubitul logic, pentru a identifica erorile în datele acestuia. Viitoarele computere cuantice ar putea face calcule folosind qubiți logici în locul qubiților originali, defecte, verificând și reparând în mod repetat orice erori care apar.

Pentru a-și realiza qubit-ul logic, cercetătorii au folosit o tehnică numită cod Bacon-Shor, aplicând-o la qubiții formați din ioni de iterbiu care plutesc deasupra unui cip de captare a ionilor în interiorul unui vid, care sunt manipulați cu lasere. Cercetătorii au conceput, de asemenea, secvențe de operații, astfel încât erorile să nu se înmulțească necontrolat, ceea ce este cunoscut sub numele de „toleranță la erori”.

Datorită acestor eforturi, noul qubit logic a avut o rată de eroare mai mică decât cea a celor mai defecte componente care l-au alcătuit, spune fizicianul cuantic Christopher Monroe de la Universitatea din Maryland din College Park și Universitatea Duke.

Cu toate acestea, echipa nu a finalizat complet procesul preconizat pentru corectarea erorilor. În timp ce computerul a detectat erorile apărute, cercetătorii nu au corectat greșelile și au continuat cu calculul. În schimb, au remediat erorile după ce computerul a fost terminat. Într-un exemplu cu drepturi depline, oamenii de știință ar detecta și corecta erorile de mai multe ori din mers.

Demonstrarea corectării erorilor cuantice este o necesitate pentru construirea de calculatoare cuantice utile. „Este ca și cum ai atinge criticitatea cu [nuclear] fisiune”, spune Schuster. Odată ce acea barieră a științei nucleare a fost depășită în 1942, a condus la tehnologii precum energia nucleară și bombele atomice (SN: 29/11/17).

Pe măsură ce computerele cuantice se apropie treptat de utilitatea practică, companiile investesc în dispozitive. Companii de tehnologie precum IBM, Google și Intel găzduiesc eforturi majore de calcul cuantic. La 1 octombrie, o companie de calcul cuantic co-fondată de Monroe, numită IonQ, a devenit publică; Cu Monroe a vorbit Știri Științe în timp ce se afla într-o călătorie pentru a suna clopoțelul de la deschiderea Bursei de Valori din New York.

Noul rezultat sugerează că corectarea completă a erorilor cuantice este aproape aici, spune coautorul Kenneth Brown, inginer cuantic, de asemenea, la Universitatea Duke. „Demonstrează cu adevărat că putem aduna toate piesele și facem toți pașii.”