Bezbłędne komputery kwantowe? Jesteśmy coraz bliżej tego celu

Komputery kwantowe są znacznie bardziej podatne na zakłócenia niż klasyczne maszyny, dlatego prawdopodobnie zawsze będą wymagały mechanizmów korekcji błędów. Niemiecko-austriacki zespół fizyków zademonstrował układ do odpornych na błędy obliczeń kwantowych.

Wykrywanie i korygowanie błędów występujących w układach jest kluczowe dla sukcesu przyszłych komputerów kwantowych. Naukowcy z Uniwersytetu w Innsbrucku zespół i Uniwersytetu RWTH Aachen po raz pierwszy zaimplementowali uniwersalny zestaw operacji obliczeniowych na odpornych na błędy bitach kwantowych, demonstrując, jak można zaprogramować algorytm na komputerze kwantowym, aby błędy nie zniekształciły wyniku. Wyniki badań opublikowano w Nature.

Naukowcy wdrożyli uniwersalny zestaw bramek na komputerze kwantowym z pułapką jonową, zawierającym 16 atomów. Informacje były przechowywane w dwóch kubitach, z których każdy był rozłożony na siedem atomów.

Czytaj też: Komputery kwantowe są lepsze do symulacji niż klasyczne. Ale jak pozbyć się szumu?

Teraz w końcu udało się zaimplementować dwie bramki obliczeniowe na odpornych na uszkodzenia bitach kwantowych, które są niezbędne dla uniwersalnego zestawu bramek: operację obliczeniową na dwóch bitach kwantowych (bramka CNOT) i logiczne T bramki.

Bramki T to bardzo fundamentalne operacje. Są one szczególnie interesujące, ponieważ algorytmy kwantowe bez bramek T można stosunkowo łatwo symulować na komputerach klasycznych. Nie jest to już możliwe w przypadku algorytmów z bramkami T.Markus Müller z Uniwersytetu RWTH Aachen

W zakodowanych logicznych kubitach przechowywane informacje kwantowe są chronione przed błędami. Ale jest to bezużyteczne bez operacji obliczeniowych, a operacje te same w sobie są podatne na błędy. Fizycy zaimplementowali operacje na kubitach logicznych w taki sposób, że błędy spowodowane przez leżące u ich podstaw operacje fizyczne mogą być również wykrywane i korygowane. Dzięki temu wdrożono pierwszą odporną na uszkodzenia implementację uniwersalnego zestawu bramek na zakodowanych logicznych kubitach.

Implementacja odporna na awarie wymaga więcej operacji niż operacje nieodporne na awarie. Wprowadza to więcej błędów w skali pojedynczych atomów, ale mimo to operacje eksperymentalne na kubitach logicznych są lepsze niż operacje logiczne nieodporne na awarie. Wysiłek i złożoność wzrastają, ale wynikowa jakość jest lepsza.Thomas Monz z Uniwersytetu w Innsbrucku

Naukowcy zweryfikowali i potwierdzili swoje wyniki eksperymentalne za pomocą symulacji komputerowych. To oznacza, że dysponują już wszystkimi elementami składowymi odpornych na błędy obliczeń na komputerach kwantowych. Ich zadaniem jest teraz wdrożenie tych metod na większych komputerach kwantowych, aby umożliwić ich praktyczne zastosowanie. Metody zademonstrowane w Innsbrucku na komputerze kwantowym z pułapką jonową mogą być stosowane także na innych architekturach komputerów kwantowych.