- Ερευνητές παρουσίασαν μέθοδο που μετατρέπει ένα λογικό qubit (με διόρθωση σφαλμάτων) σε δύο λογικά και εμπλεγμένα qubits.
- Η τεχνική βασίζεται σε χειρισμό πλέγματος φυσικών qubits μέσω Lattice Surgery, διατηρώντας τη διόρθωση σφαλμάτων.
- Στόχος: κλιμάκωση με αρθρωτή σύνδεση πολλών «πλεγμάτων» ώστε τα λογικά qubits να επικοινωνούν αξιόπιστα.
Ένα qubit γίνεται δύο εμπλεγμένα qubits
Η διόρθωση σφαλμάτων και η κβαντική εμπλοκή συνδυάζονται μέσω χειρισμού ενός πλέγματος. Πρόκειται για ένα μονοπάτι προς κλιμακώσιμους κβαντικούς υπολογιστές.
Μια επιστημονική ομάδα από το Forschungszentrum Jülich (Βόρεια Ρηνανία-Βεστφαλία), την ETH Zürich και το Paul Scherrer Institute (Ελβετία) παρουσίασε μια μέθοδο με την οποία λειτουργικοί κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν μελλοντικά να υλοποιηθούν στην πράξη.
Η ιδέα είναι ότι ένα λογικό qubit, το οποίο ήδη διαθέτει μηχανισμό διόρθωσης σφαλμάτων, «μοιράζεται» σε δύο λογικά qubits που είναι ταυτόχρονα κβαντικά εμπλεγμένα.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα από φυσικά qubits για να σχηματίσει ένα λογικό qubit. Το λογικό qubit αποτελεί μια αφηρημένη υπολογιστική μονάδα που επιτρέπει την ανίχνευση σφαλμάτων σε επιμέρους qubits. Τέτοια σφάλματα στα qubits προκαλούνται ουσιαστικά από κάθε εξωτερική επίδραση, ακόμη και από κοσμική ακτινοβολία.
Φυσικό qubit είναι το πραγματικό, υλικό qubit. Λογικό qubit είναι «συλλογική» κωδικοποίηση πολλών φυσικών qubits για μεγαλύτερη αξιοπιστία.
Εμπλοκή και διόρθωση σφαλμάτων ταυτόχρονα
Το λογικό qubit αποδεικνύεται σταθερό και αξιόπιστο στην ανάγνωση (readout), αλλά ένα μόνο qubit δεν αρκεί για να εκτελούνται υπολογιστικές πράξεις. Πολλά qubits πρέπει να εμπλέκονται μεταξύ τους.
Ακριβώς αυτό επιτεύχθηκε μέσω μιας αλλαγής στο πλέγμα των φυσικών qubits, μια διαδικασία γνωστή ως Lattice Surgery. Η επιφάνεια των qubits χωρίστηκε σε δύο περιοχές. Το ίδιο συνέβη και με την κβαντική πληροφορία, έτσι ώστε να προκύπτει μια κατάσταση εμπλοκής ανάμεσα σε δύο λογικά και ανθεκτικά σε σφάλματα qubits.
Η αρχική διόρθωση σφαλμάτων μπορούσε να διατηρηθεί παρά τον διαχωρισμό. Η σχετική μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature Physics.
Η εμπλοκή μεταξύ λογικών qubits είναι απαραίτητη για κβαντικούς αλγόριθμους, αλλά πρέπει να γίνεται χωρίς να «καταρρέει» η προστασία από σφάλματα.
Κλιμάκωση για μεγάλες κβαντικές διεργασίες
Με τη μέθοδό της, η ερευνητική ομάδα ελπίζει ότι έχει χαράξει έναν δρόμο προς την αρθρωτή (modular) κατασκευή κβαντικών υπολογιστών. Για να γίνει αυτό, θα χρειαστεί να συνδεθούν μεταξύ τους πολλά από τα πλέγματα που έχουν διαχωριστεί μέσω Lattice Surgery.
Στόχος είναι τα λογικά qubits να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, ενώ παράλληλα να παραμένουν αξιόπιστα στην ανάγνωση.
Πίνακες: Τι αλλάζει με το Lattice Surgery
Φυσικά vs Λογικά qubits (γρήγορη σύγκριση)
| Κατηγορία | Τι είναι | Κύριο πλεονέκτημα | Κύρια πρόκληση |
|---|---|---|---|
| Φυσικό qubit | Το υλικό qubit στο εργαστήριο/τσιπ | Άμεσος χειρισμός και μέτρηση | Ευαισθησία σε θόρυβο/αποσυνοχή |
| Λογικό qubit | Κωδικοποίηση πάνω σε πολλά φυσικά qubits | Ανθεκτικότητα σε σφάλματα | Μεγάλο «κόστος» σε πόρους και πολυπλοκότητα |
Τι κάνει πρακτικά το Lattice Surgery σε ένα πλέγμα qubits
| Βήμα | Ενέργεια στο πλέγμα | Αποτέλεσμα στην κβαντική πληροφορία |
|---|---|---|
| 1 | Δημιουργία λογικού qubit πάνω σε διάταξη φυσικών qubits | Προστατευμένη αποθήκευση/ανάγνωση με διόρθωση σφαλμάτων |
| 2 | «Χειρουργική» αλλαγή/διαχωρισμός του πλέγματος (Lattice Surgery) | Διαμοιρασμός πληροφορίας σε δύο λογικές οντότητες |
| 3 | Διατήρηση του σχήματος διόρθωσης σφαλμάτων μετά τον διαχωρισμό | Προκύπτουν δύο λογικά qubits σε κατάσταση εμπλοκής |
Γιατί αυτή η εξέλιξη είναι σημαντική για κβαντική κλιμάκωση
Το κρίσιμο σημείο στα σημερινά εργαστηριακά συστήματα δεν είναι μόνο να αυξάνεται ο αριθμός των qubits, αλλά να αυξάνεται ο αριθμός των χρήσιμων qubits.
Ένα κβαντικό τσιπ μπορεί να έχει πολλά φυσικά qubits, όμως χωρίς διόρθωση σφαλμάτων οι καταστάσεις τους αλλοιώνονται γρήγορα.
Γι’ αυτό η μετάβαση από φυσικά σε λογικά qubits θεωρείται προϋπόθεση για «μεγάλες» εφαρμογές (χημική προσομοίωση, βελτιστοποίηση, κρυπτογραφία μετά την κβαντική εποχή).
Η Lattice Surgery ξεχωρίζει επειδή αντιμετωπίζει δύο ανάγκες ταυτόχρονα: (α) τη διατήρηση της προστασίας από σφάλματα και (β) τη δημιουργία εμπλοκής ανάμεσα σε λογικές μονάδες, κάτι απαραίτητο για υπολογισμούς.
Με απλά λόγια, δεν αρκεί να έχεις «σταθερά» λογικά qubits σαν μνήμη· πρέπει να μπορείς να τα συνδέεις και να τα χειρίζεσαι χωρίς να χάνεις την αξιοπιστία τους.
Τι να προσέχετε όταν ακούτε για «κβαντική κλιμάκωση»
- Πόσα λογικά qubits υποστηρίζονται πραγματικά (όχι μόνο φυσικά);
- Υπάρχει επίδειξη εμπλοκής μεταξύ λογικών qubits με ενεργή διόρθωση σφαλμάτων;
- Πόσο «αρθρωτή» είναι η αρχιτεκτονική: μπορούν να ενωθούν πολλά υποσυστήματα χωρίς να καταρρεύσει η απόδοση;
Πρακτική αξία για την επόμενη γενιά κβαντικών υπολογιστών
Αν η αρθρωτή προσέγγιση λειτουργήσει, ανοίγει ο δρόμος για «πλακίδια» (modules) κβαντικής υπολογιστικής: πολλά πλέγματα που συνδέονται ώστε τα λογικά qubits να επικοινωνούν με προβλέψιμο τρόπο.
Αυτό είναι σημαντικό και επιχειρησιακά: αντί για ένα μονολιθικό, υπερ-ευαίσθητο σύστημα, μπορεί να σχεδιαστεί μια πλατφόρμα όπου η επέκταση γίνεται με προσθήκη μονάδων, διατηρώντας κοινά πρωτόκολλα μέτρησης και ελέγχου.
Τέλος, η συγκεκριμένη κατεύθυνση βοηθά και στη «γλώσσα» της μηχανικής: μετατρέπει ένα δύσκολο, φυσικό πρόβλημα (θόρυβος, αστοχίες) σε πρόβλημα αρχιτεκτονικής και διασύνδεσης λογικών qubits.
Αυτό ακριβώς χρειάζεται για να περάσουμε από εντυπωσιακές επιδείξεις σε κβαντικούς υπολογιστές που εκτελούν μεγάλα, αξιόπιστα κβαντικά προγράμματα.
