Mechaniczna twarz podzielona na pół.

Stany Kwantowe Komputera

Komputery kwantowe już działają. Co musimy zrobić, żeby je udoskonalić?

Wyzwania technologiczne – temperatura

Technologia procesorów kwantowych wymaga pracy w bardzo niskich temperaturach, na poziomie 15-20 milikelwinów. Jest to związane m.in. z zapewnieniem stanu nadprzewodzącego dla kluczowego elementu technologicznego, czyli pierwiastka niobu, zapewnieniem maksymalnej redukcji szumów kwantowych, a tym samym zmniejszeniem poziomu błędów oraz wydłużeniem czasu stabilności stanów kwantowych, aby umożliwić poprawny ich odczyt. Do tego dochodzi jeszcze np. izolacja od zewnętrznych pól elektromagnetycznych.

Procesor firmy D-Wave – temperatura pracy: około 15 mK
IBM Q Experience – bieżąca temperatura pracy procesora: 0,0176 K

Coherence time – czas stabilności stanów

Czas koherencji jest czasem stabilności stanów kwantowych – aby był możliwy jednoznaczny ich odczyt.

Czas koherencji – szybkie rozmywanie się stanów kwantowych w czasie

To jeden z kluczowych parametrów, z jakim zmagają się twórcy procesorów kwantowych. Na przestrzeni lat eksperymentowania z rozwiązaniami wykorzystującymi procesory kwantowe wartości te wzrosły z 10 ns do prawie 100 µs, a więc prawie o cztery rzędy wielkości, co bardzo ułatwiło postęp technologiczny. Czas koherencji często oznaczany jest w literaturze naukowej jako wielkość T2.

Zmiany uzyskiwanych czasów koherencji, T2, wraz w udoskonalaniem technologii kwantowych
Procesor IBM Q, grupa 5 kubitów – czasy koherencji: 41 µs do 61 µs

Dostępny do obliczeń 5-kubitowy zasób komputera kwantowego IBM Q ma czas koherencji w zakresie 41–61 µs. Ostatnio IBM chwalił się, że dla procesora o mocy 50 kubitów uzyskano rekordowy jak dotąd czas koherencji na poziomie 90 µs.

Poziom błędów i ich korekcja

Jak już wspomniałem, stany kwantowe są z jednej strony bardzo niestabilne, z drugiej zaś podatne na wszelkiego rodzaju zakłócenia o podłożu zarówno termicznym jak i elektromagnetycznym. Minimalizacja wszystkich niekorzystnych czynników to nieustanne wyzwanie. Niemniej jednak niełatwo jest je całkowicie wyeliminować. Aby obliczenia kwantowe miały sens, musiały zostać wprowadzone mechanizmy wykrywania i korekcji błędów.

Błędy pojawiające się w kubitach są dwojakiego rodzaju: błędy bitowe (tzw. bit-flip-errors) oraz błędy fazy (phase errors), związane ze zjawiskiem superpozycji. Wykrywanie tych błędów wymaga, aby np. na 2 kubity danych głównych, przypadały kolejne 2 kubity odpowiedzialne za wykrywanie błędów obu rodzajów. Dochodzi jeszcze ich korekcja, co jest już kolejną trudnością. Prace badawcze w tym zakresie prowadzą m.in. IBM i Google.

Twórca algorytmu rozkładu na czynniki pierwsze liczby naturalnej, Peter Shor, opracował parę lat temu tzw. Kod Shora, zapewniający korekcję błędu 1 kubitu na bazie dziewięciu innych. Dalszy rozwój i modyfikacja tego podejścia doprowadziła do kodowania CSS, które zapewnia korekcję błędu 1 kubitu na bazie pięciu innych. Prace nad rozwiązaniem problemu i dalszą optymalizacją korekcji błędów wciąż trwają. A o ich skali świadczy fakt, że absorbują znaczne moce procesorów kwantowych.

W prezentacjach firmy IBM można znaleźć obrazowe przedstawienie kwestii poziomu błędów. Przy znacznym poziomie błędów zwiększenie liczby kubitów może okazać się bezcelowe, natomiast znaczne zmniejszenie poziomu błędów przy niezmienionej liczbie kubitów może wydatnie zwiększyć moc obliczeniową procesora kwantowego. Jest to dość oczywiste, gdy zdamy sobie sprawę, jak dużym obciążeniem dla procesora kwantowego jest wykrywanie i korekcja błędów, zwłaszcza jeśli jest ich bardzo wiele. IBM wprowadziło parametr nazwany Quantum Volume, który jest funkcją liczby kubitów, poziomu błędów oraz kilku innych zmiennych. Nie wiadomo, czy ten wskaźnik szeroko się przyjmie, ale jak na razie, praktycznie tylko IBM Q jest gotowym do użycia komputerem kwantowym ogólnego zastosowania, dlatego firma łatwiej może narzucać globalne standardy.

Opracowane przez firmę IBM oszacowania zdolności obliczeniowej Quantum Volume w relacji do liczby kubitów oraz poziomu błędów