Η διόρθωση σφαλμάτων στους κβαντικούς υπολογιστές είναι πιο σύνθετη απ’ όσο νόμιζαν οι ερευνητές

Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν θα γίνουν πραγματικά χρήσιμοι μέχρι οι ερευνητές να τελειοποιήσουν τις μεθόδους διόρθωσης των σφαλμάτων που κάνουν από τη φύση τους. Η κβαντική διόρθωση σφαλμάτων (QEC) έχει προχωρήσει γρήγορα τα τελευταία χρόνια, όμως σειρά νέων μελετών δείχνει ότι το τοπίο των σφαλμάτων που πρέπει να αντιμετωπίσει είναι πιο σύνθετο από το αναμενόμενο, κάτι που δημιουργεί νέες δυσκολίες για την πρακτική αξιοποίηση των κβαντικών υπολογιστών, γράφει το New Scientist.

Η ιδέα της QEC χρονολογείται από τα πρώτα βήματα της κβαντικής υπολογιστικής και τις πρώτες προσπάθειες να φανεί πώς θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν αυτοί οι υπολογιστές. Τότε δεν υπήρχε ακόμη κβαντικός υπολογιστής και οι ερευνητές βασίζονταν στη μαθηματική θεωρία για να καταλάβουν πόσο καλά θα μπορούσαν να διορθώνονται τα σφάλματα και ποιους υπολογισμούς θα επέτρεπε αυτή η διόρθωση να ολοκληρώνονται αξιόπιστα. Πλέον κβαντικοί υπολογιστές υπάρχουν και τα δεδομένα για τα σφάλματά τους συσσωρεύονται γρήγορα. Όλο και περισσότερο, οι ερευνητές διαπιστώνουν ότι υπάρχουν είδη σφαλμάτων που οι παλαιότερες μελέτες είχαν παραβλέψει και τα οποία μπορεί να απειλήσουν την πρόοδο των κβαντικών υπολογιστών.

Οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούνται από δομικά στοιχεία που ονομάζονται qubits, τα οποία κάνουν σφάλματα επειδή είναι ευαίσθητα στις αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους. Μία μακρόχρονη παραδοχή για αυτά τα σφάλματα, η υπόθεση του Markov, ήταν ότι είναι χωρίς μνήμη: τα σφάλματα που κάνει ένα qubit σε διαφορετικές χρονικές στιγμές δεν συσχετίζονται μεταξύ τους.

Τα φαινόμενα μνήμης είναι επιζήμια για τη λειτουργία των κβαντικών υπολογιστών, γιατί σημαίνουν ότι η επανάληψη της ίδιας πράξης σε διαφορετικές χρονικές στιγμές μπορεί να δώσει διαφορετικά αποτελέσματα, ανάλογα με το τι «θυμάται» το περιβάλλον, λέει η Lorenza Viola από το Dartmouth College στο New Hampshire. Είναι σαν η πολλαπλασιαστική πράξη ενός αριθμού επί 2 να δίνει μία τιμή τώρα και μια διαφορετική αργότερα. Η υπόθεση του Markov προϋποθέτει ότι αυτό συμβαίνει είτε ποτέ είτε σε ελάχιστες περιπτώσεις, κάτι που θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν μεγαλύτερα προγράμματα. Όμως, ανησυχητικά, η υπόθεση φαίνεται να μην ισχύει. Τα φαινόμενα μνήμης εμφανίζονται ξανά και ξανά στα πειράματα.

Πρόσφατα, ο Ioan Pop από το Karlsruhe Institute of Technology και το Stuttgart University στη Γερμανία, μαζί με τους συνεργάτες του, ανέπτυξαν μια μέθοδο μέτρησης που αποκάλυψε πολύ μακρόβια ελαττώματα στο περιβάλλον ενός υπεραγώγιμου qubit — ψευδείς κβαντικές καταστάσεις που προκύπτουν από ατέλειες υλικών, αδέσποτα μόρια ή άλλες πηγές — και κάθε ένα από αυτά θα μπορούσε να λειτουργεί ως μνήμη. «Δείχνουμε με συγκεκριμένο τρόπο πώς αυτό το μακρόβιο περιβάλλον μπορεί να σπάσει μία από τις υποθέσεις της διόρθωσης σφαλμάτων», λέει.

Νωρίτερα φέτος, ο Rami Barends από το Forschungszentrum Jülich GmbH στη Γερμανία και οι συνεργάτες του μελέτησαν έναν διαφορετικό τύπο υπεραγώγιμου qubit και βρήκαν παρόμοιες παραβιάσεις της υπόθεσης του Markov.

Η υπόθεση αμφισβητείται και σε επίπεδο ολόκληρων κβαντικών υπολογιστών. Το 2025, ο John Fidel Kam από το Agency for Science, Technology and Research στη Σιγκαπούρη, ο Kavan Modi από το Singapore University of Technology and Design, ο Muhammad Usman από το Monash University στην Αυστραλία και οι συνεργάτες τους ανέλυσαν ένα βασικό πείραμα διόρθωσης σφαλμάτων με τον κβαντικό υπολογιστή Willow της Google. Διαπίστωσαν ότι ορισμένα από τα σφάλματα που ήταν δύσκολο να διορθωθούν ή να ληφθούν υπόψη ταίριαζαν με ένα θεωρητικό μοντέλο στο οποίο η υπόθεση του Markov δεν ίσχυε. Το περιβάλλον των qubits δεν ήταν Markovian.

Σε άλλη ανάλυση, ο Gregory Quiroz από το Johns Hopkins University στο Maryland και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ένα μοντέλο που περιλάμβανε μη Markovian επιδράσεις περιέγραφε έναν κβαντικό υπολογιστή της IBM, στον οποίο είχαν πρόσβαση μέσω του cloud, επτά φορές καλύτερα από τα μοντέλα θορύβου που χρησιμοποιούνται συνήθως στις μελέτες διόρθωσης σφαλμάτων. Η IBM και η Google δεν απάντησαν στο αίτημα του New Scientist για σχόλιο.

Σε συνεργασία με συναδέλφους της, η Viola διαπίστωσε ότι τα τμήματα του περιβάλλοντος ενός qubit που μπορούν να «θυμούνται» μπορούν επιπλέον να λειτουργούν ως κβαντικά συστήματα από μόνα τους και να «ανταποκρίνονται» σε ένα qubit. Αυτό εισάγει ένα νέο είδος σφάλματος, ένα ακόμη φαινόμενο που οι σημερινές προσεγγίσεις QEC δεν λαμβάνουν υπόψη.

Η έρευνα είναι προκαταρκτική, όμως η Viola λέει ότι καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές βελτιώνονται γρήγορα, παράγοντες που μέχρι τώρα ήταν ασήμαντοι μπορεί να γίνουν ολοένα και πιο σημαντικοί. Ο Modi θεωρεί ότι είναι νωρίς για συναγερμό, αλλά λέει πως σήμερα δεν υπάρχουν εγγυήσεις, ούτε πειραματικές ούτε θεωρητικές, ότι το πρόβλημα δεν θα χειροτερέψει όσο αυξάνεται ο αριθμός των qubits.

«Υπάρχει πιθανότητα η διόρθωση σφαλμάτων να μην λειτουργεί επειδή ο συσχετισμένος θόρυβος [τα φαινόμενα μνήμης] δεν έχει ληφθεί υπόψη», λέει. «Δεν ξέρουμε πλήρως πού καταρρέει το σύστημα, εν μέρει επειδή ο σύνθετος θόρυβος είναι δύσκολο να περιγραφεί».

Υπάρχουν μαθηματικά θεωρήματα που δείχνουν ότι ένας κβαντικός υπολογιστής θα μπορούσε να φτάσει σε fault-tolerance — σε λειτουργία δηλαδή όπου τα σφάλματα δεν τον εκτροχιάζουν — ακόμη και όταν υπάρχουν φαινόμενα μνήμης και τα σφάλματα είναι συσχετισμένα στον χρόνο ή στον χώρο. Όμως το πόσο ισχυρές μπορεί να είναι αυτές οι συσχετίσεις πριν γίνουν πρόβλημα παραμένει ανοιχτό ερώτημα, λέει η Viola. Ο Amit Hagar από το Indiana University Bloomington σημειώνει ότι η κατάσταση δεν είναι κατ’ ανάγκη άσπρο ή μαύρο και ότι οι κλασικές μέθοδοι διόρθωσης σφαλμάτων μπορεί τελικά να λειτουργούν, αλλά μόνο για υπολογισμούς ορισμένου μήκους ή πολυπλοκότητας. Αυτό θα υπονόμευε την υπόσχεση του κβαντικού υπολογιστή ως μηχανής που μπορεί να εκτελεί αυθαίρετα μεγάλους υπολογισμούς. Για όποια εταιρεία προσπαθεί να κατασκευάσει έναν τέτοιο υπολογιστή, το βάρος της απόδειξης μεταφέρεται τώρα στους ερευνητές της, λέει. «Έστηναν την υπόσχεσή τους πάνω σε ένα θεώρημα, το οποίο ήταν υπό όρους, και προς το παρόν ο όρος ίσως να μην ισχύει», λέει ο Hagar.

Κατά τον Usman, το μέλλον παραμένει ανοιχτό, επειδή τα προγράμματα που χρησιμοποιούν οι ερευνητές για την κβαντική διόρθωση σφαλμάτων εξελίσσονται μαζί με το υλικό της κβαντικής υπολογιστικής. Μέχρι πρόσφατα, τα προγράμματα QEC που χρονολογούνται από τη δεκαετία του 1990 ήταν το χρυσό πρότυπο, όμως τώρα έχει κερδίσει έδαφος μια εντελώς νέα κατηγορία κωδίκων, οι QLDPC, και δεν είναι ακόμη σαφές πόσο καλά λειτουργούν απέναντι σε συσχετισμένα σφάλματα, λέει. «Υπάρχουν πολλά ακόμη να ερευνηθούν και να μελετηθούν πριν κάνουμε οποιονδήποτε ισχυρισμό για το αν η διόρθωση σφαλμάτων θα λειτουργήσει ή όχι», λέει.

«Οι κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων μπορούν να προσαρμοστούν σε μη Markovian σφάλματα. Θα πρέπει να προσαρμοστούν σε αυτό», λέει ο Pop. Η τεχνική μέτρησης που ανέπτυξαν πρόσφατα ο ίδιος και οι συνεργάτες του θα μπορούσε να παίξει ρόλο, καθώς ίσως επιτρέψει σε άλλες ομάδες να εντοπίζουν φαινόμενα μνήμης στις συσκευές τους και να σχεδιάζουν στρατηγικές για να τα αποφεύγουν, λέει ο συνάδελφός του Nicolas Gosling από το Karlsruhe Institute of Technology. Τα συσχετισμένα σφάλματα θα μπορούσαν επίσης να περιοριστούν με την προσαρμογή των συμβατικών αλγορίθμων που ελέγχουν τους κβαντικούς υπολογιστές και διαβάζουν τα αποτελέσματά τους, λέει ο Kam.

Υπάρχουν, λοιπόν, αρκετοί τρόποι για να αντιμετωπιστεί αυτή η παραμελημένη κατηγορία σφαλμάτων. Οι ερευνητές που τη μελετούν λένε ότι δεν έχουν αναγκαστικά εντοπίσει ένα άλυτο πρόβλημα — αρκεί να ληφθεί σοβαρά υπόψη. «Δεν ήταν στο ραντάρ πολλών ανθρώπων μέχρι τώρα», λέει ο Pop.

Πηγή: newscientist.com.