Η κατασκευή κβαντικών υπολογιστών που δεν θα κάνουν σφάλματα είναι μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της τεχνολογίας σήμερα. Ερευνητές της Google Quantum AI έδειξαν τώρα έναν τρόπο να γίνει αυτό πιο αποτελεσματικά. Η δουλειά τους δείχνει ότι οι μικρότεροι κβαντικοί υπολογιστές που θα είναι διαθέσιμοι τα επόμενα χρόνια μπορεί να αποδειχθούν πιο σημαντικοί απ’ όσο αναμενόταν.
Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να εκτελούν μαθηματικές πράξεις, ανάλογες με την πρόσθεση ή τον πολλαπλασιασμό, που οι συμβατικοί υπολογιστές δεν μπορούν να κάνουν. Αυτό τους καθιστά κατάλληλους για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν άλυτα, όπως εκείνα στα οποία βασίζεται η κρυπτογραφία.
Ανάμεσα στις πιο σημαντικές κβαντικές πράξεις που εκτελούν οι υπολογιστές αυτοί είναι οι «non-Clifford gates», τα βασικά συστατικά αλγορίθμων που ξεπερνούν τις δυνατότητες της συμβατικής υπολογιστικής.
Όμως υπάρχει ένα πρόβλημα. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι ιδιαίτερα επιρρεπείς στα σφάλματα και τα δομικά τους στοιχεία, τα qubits, πρέπει πρώτα να κωδικοποιηθούν σε ειδικές ομάδες, τα λεγόμενα «logical qubits», πριν μπορέσουν να εκτελέσουν πράξεις με αξιοπιστία. Η εκτέλεση non-Clifford gates με διόρθωση σφαλμάτων απαιτεί μεγάλο αριθμό qubits, κάτι που σημαίνει ότι πρέπει να κατασκευαστούν πολύ μεγάλοι κβαντικοί υπολογιστές — ένα ιδιαίτερα δύσκολο τεχνικό εγχείρημα.
Τώρα, η Emma Rosenfeld από τη Google Quantum AI και οι συνεργάτες της χρησιμοποίησαν τον κβαντικό υπολογιστή Willow της εταιρείας για να δείξουν ότι η διαδικασία διόρθωσης σφαλμάτων μπορεί να γίνει πιο αποδοτική. Η νέα τεχνική τους μείωσε τελικά τα σφάλματα του Willow κατά 40 φορές.
Στο επίκεντρο της προόδου βρίσκεται η ιδέα του «magic state», μιας ειδικής κβαντικής κατάστασης που πρέπει να αποκτήσουν τα qubits πριν ο κβαντικός υπολογιστής μπορέσει να εκτελέσει non-Clifford πράξεις με διόρθωση σφαλμάτων. Η δημιουργία αυτών των καταστάσεων είχε μέχρι τώρα εξελιχθεί σε σημαντικό εμπόδιο για την κβαντική υπολογιστική, λέει η Rosenfeld. «Καταναλώνει πολλά qubits και πολύ χρόνο», σημειώνει.
Το 2024, οι συνάδελφοί της στη Google Quantum AI πρότειναν μια πιο αποδοτική μέθοδο δημιουργίας magic states, που ονομάζεται «magic state cultivation». Σε αυτήν, αντί για πολλά ατελή qubits που συνδυάζονται και χειρίζονται επανειλημμένα μέχρι να σχηματιστεί ένα magic state το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για μια διορθωμένη ως προς τα σφάλματα πράξη, το magic state «καλλιεργείται» μέσα σε ένα μικρότερο σύνολο qubits.
Οι ερευνητές της Google έδειξαν ότι η magic state cultivation θα μπορούσε, θεωρητικά, να επιτρέψει στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν κρίσιμα προγράμματα με μόλις το ένα δέκατο των qubits που πιστεύαμε ότι θα χρειαζόταν. Το νέο πείραμα της Rosenfeld και των συνεργατών της αποδεικνύει ότι η μέθοδος λειτουργεί και στην πράξη.
Δεν είναι η πρώτη φορά που νέες μέθοδοι για την παραγωγή magic states μειώνουν τα ποσοστά σφάλματος ενός κβαντικού υπολογιστή. Πρόοδοι στη δημιουργία magic states και στη διόρθωση non-Clifford gates έχουν επίσης επιτευχθεί σε πειράματα με κβαντικούς υπολογιστές των οποίων τα qubits βασίζονται σε ιόντα. Τα qubits του Willow, που βασίζονται σε μικροσκοπικά υπεραγώγιμα κυκλώματα, πέτυχαν ποσοστά σφάλματος αντίστοιχα με εκείνα των προηγούμενων πειραμάτων, όμως η Rosenfeld λέει ότι λειτουργούν ταχύτερα, κάτι που μπορεί να μειώσει τον συνολικό χρόνο εκτέλεσης του κβαντικού υπολογιστή.
«Πρόκειται για μια εντυπωσιακή επίδειξη μιας πολλά υποσχόμενης πρόσφατης ιδέας που πρωτοπορεί η Google», λέει ο Isaac Kim από το University of California, Davis. «Είναι μια προσέγγιση που μπορεί να κάνει την ανθεκτική στα σφάλματα κβαντική υπολογιστική σημαντικά φθηνότερη». Η νέα δουλειά δείχνει ένα από τα απαραίτητα δομικά στοιχεία για την καθολική κβαντική υπολογιστική και μπορεί να αποτελέσει «gamechanger» για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών μεσαίου μεγέθους, με εκατοντάδες logical qubits, λέει ο Dominik Hangleiter από το ETH Zurich στην Ελβετία.
Ο Zhenyu Cai από το Imperial College London λέει ότι, παρότι το πείραμα αποτελεί σημαντικό βήμα μπροστά, τα σφάλματα του Willow θα πρέπει να μειωθούν κι άλλο πριν μπορέσει να αντιμετωπίσει πραγματικά χρήσιμα προβλήματα. Επιπλέον, ο Kim λέει ότι στο πείραμα ο Willow παρήγαγε καλά magic states μόνο σε ένα μέρος των υπολογισμών του: μόλις το 8% των υπολογισμών του Willow παρήγαγε υψηλής ποιότητας magic states που μπορούσαν στη συνέχεια να αξιοποιηθούν περαιτέρω.
Η Rosenfeld λέει ότι αυτό το ποσοστό θα πρέπει να αυξηθεί όσο εκείνη και οι συνεργάτες της βελτιώνουν την τεχνική και αναβαθμίζουν το υλικό του Willow. Στην προκειμένη περίπτωση, επηρεάζεται επίσης από μια πολύ προσεκτική τεχνική αξιολόγησης που χρησιμοποίησε η ομάδα, η οποία ίσως να μην χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικές εφαρμογές, σημειώνει. «Αυτή είναι η πρώτη επίδειξη ότι οι ιδέες λειτουργούν. Δεν έχουμε τελειώσει», λέει.
Science DOI: 10.1126/science.aee7961
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
