Pas major făcut către calcularea fără erori

Calculul cuantic a depășit o barieră importantă: oamenii de știință au obținut un control aproape perfect asupra unei părți de informații cuantice într-un mod care i-ar putea aduce cu un pas mai aproape de calcule fără erori.

Toate informațiile digitale vin în pachete minuscule numite biți. În dispozitivele de consum, biții sunt bucăți de material magnetic sau electric care se rotesc între două stări distincte. Dar datorită ciudățeniei cuantice, anumite obiecte minuscule numite biți cuantici sau qubiți pot exista în două stări simultan. Fizicienii au conectat mai mulți qubiți între ei pentru a împărtăși o stare generală „încurcată”. Folosind întanglement, calculatoarele cuantice rudimentare pot executa mai multe calcule simultan și pot rezolva probleme simple, cum ar fi factorizarea 15 în 3 și 5 (SN: 3/10/12, str. 26). Deoarece fiecare qubit suplimentar dublează puterea de procesare a unui dispozitiv, viitoarele computere cuantice ar trebui să îndeplinească sarcini mult mai rapid decât o fac mașinile convenționale.

Dar calculul cuantic are un dezavantaj: stările cuantice sunt ușor spulberate, mai ales pe măsură ce numărul de qubiți încurcați crește. John Martinis, un fizician de la Universitatea din California, Santa Barbara, compară o piesă clasică cu o monedă așezată pe o masă: moneda nu se va răsturna decât dacă masa este scuturată foarte tare. Un qubit, dimpotrivă, este ca o monedă care stă pe muchie – cel mai mic zguduit îl răstoarnă. Teoreticienii din anii 1990 au sugerat că qubiții aranjați într-o tablă de șah ar putea depăși această fragilitate prin monitorizarea și corectarea erorilor din vecinii lor, creând stabilitate comunală. Chiar și în această schemă, totuși, stările individuale ale qubiților ar trebui să apară corect după cel puțin 99 din 100 de calcule de schimbare a stării; în caz contrar, erorile s-ar înmulți în toată grila. Niciun dispozitiv care conține mai mult de trei qubits nu a atins încă acest prag de stabilitate de 99% pentru fiecare qubit.

Căutând să facă un astfel de qubit de neclintit, Martinis și colegii au raportat în 24 aprilie Natură că au construit circuite electrice minuscule, fiecare de mărimea unui grăunte de nisip, din fire de aluminiu supraconductoare și bariere ultrasubțiri de oxid de aluminiu. Când sunt răciți la 30 de miimi de grad Celsius peste zero absolut, electronii se mișcă înainte și înapoi sau rezonează în jurul circuitelor fără a întâmpina rezistență. Informațiile pot fi codificate în această rezonanță pentru a face un qubit.

Folosind ideea de calcul al rețelei, Martinis și colegii și-au aliniat cinci dintre qubiții și i-au conectat electric pe fiecare cu cei mai apropiați vecini ai săi. Cercetătorii au gravat apoi circuite mai mari care le-au permis să schimbe stările individuale ale qubiților cu mici impulsuri de electricitate. Folosind aceste impulsuri, oamenii de știință au descoperit că pot controla starea unui qubit mai mult de 99,9% din timp. Pentru doi qubiți vecini încurși, fidelitatea a scăzut la 99,4 la sută, încă peste pragul de 99 la sută. Când i-au încurcat pe toți cinci simultan, cercetătorii au putut controla starea qubiților în 81,7% din timp.

Obținerea unui control atât de precis într-un sistem cu atât de mulți qubiți este „o piatră de hotar excelentă pentru procesarea informațiilor cuantice”, spune fizicianul Raymond Laflamme de la Universitatea Waterloo din Canada.

„Este o realizare destul de spectaculoasă”, este de acord Simon Devitt, un fizician teoretician la Universitatea Ochanomizu din Tokyo. El spune că rezultatul oferă o cale clară către un computer cuantic: „Odată ce îndepliniți cerințele de corectare a erorilor, restul este inginerie”.

Robert Schoelkopf de la Universitatea Yale, care a inventat qubitul de electroni slăbiți pe care l-a folosit echipa lui Martinis, spune că echipa a făcut „un progres semnificativ”. Dar el spune că un computer cuantic practic ar necesita qubiți și mai stabili.

Nota editorului: Această poveste a fost actualizată la 6 mai 2014, pentru a corecta dimensiunea aproximativă a circuitelor qubit și pentru a corecta temperatura la care au fost răcite acele circuite.