Co więc zrobić, jeśli nie potrafimy całkowicie pozbyć się defektów, a potrzebujemy coraz większej liczby niezawodnych kubitów? Międzynarodowy zespół naukowców postanowił podejść do tego problemu od strony sterowania i zamiast walczyć z samymi niedoskonałościami, spróbował “nauczyć” elektronikę reagowania na ich skutki. Wyniki eksperymentu opisanego w czasopiśmie Applied Physics Reviews pokazują, że taki kierunek ma spory sens.
Mikroskopijne defekty potrafią zepsuć pracę komputerów kwantowych
Badacze z Uniwersytetu w Ratyzbonie, MIT i kilku innych instytucji wykorzystali nadprzewodzący kubit znajdujący się w izraelskim centrum obliczeń kwantowych. Podczas eksperymentów skupili się na zjawisku związanym z tak zwanymi defektami dwupoziomowymi (TLS), które mogą oddziaływać z kubitami i powodować nagłe zmiany ich częstotliwości rezonansowej. W badanym układzie naukowcy zaobserwowali przeskoki między dwiema częstotliwościami różniącymi się o około 374 kHz.
Czytaj też: Fizycy złamali jedną z podstawowych zasad. Dwa elektrony dokonały czegoś, co miało być niemożliwe
Brzmi to niepozornie. Zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę, że sam kubit pracował przy częstotliwości około 5,10 GHz, co oznacza, że różnica stanowiła zaledwie 0,0073% tej wartości. Jednak w świecie obliczeń kwantowych nawet tak niewielkie odstrojenie ma znaczenie, bo kubity nadprzewodzące wymagają niezwykle precyzyjnych impulsów mikrofalowych. Kiedy częstotliwość rezonansowa zmienia się bez ostrzeżenia, to wcześniej dobrany sygnał może wywołać nieprawidłową operację lub wprowadzić niepożądany błąd fazy.
Badacze podejrzewają, że za przeskokami odpowiadało oddziaływanie z jednym z defektów materiałowych. Właśnie dlatego jednorazowa kalibracja procesora nie zawsze wystarcza. Możemy bowiem idealnie dostroić elektronikę do aktualnych warunków, ale jeśli właściwości kubitu zmienią się podczas pracy, to wcześniej dobrane parametry przestaną być optymalne.
Jeden dodatkowy pomiar i błędy spadły o 54%
Naukowcy postanowili wykorzystać mechanizm sprzężenia zwrotnego, który pozwala układowi automatycznie dostosowywać parametry sterowania. Przed wykonaniem właściwej sekwencji operacji system przygotowuje kubit w odpowiednim stanie kwantowym, pozwala mu przez krótki czas ewoluować, a następnie wykonuje pojedynczy pomiar. Wynik pozwala ustalić, która z dwóch znanych częstotliwości jest aktualnie aktywna.
Czytaj też: Strzelili w diament materiałem rozpędzonym do prędkości ponad Mach 8. Nie uwierzysz, co się stało
Na tej podstawie klasyczny kontroler wykorzystujący programowalny układ FPGA dostosowuje sterowanie do bieżących właściwości kubitu. Wszystko odbywa się automatycznie, bez ręcznej kalibracji przed każdą operacją. Co istotne, diagnostyka poprzedza właściwą sekwencję obliczeniową, więc system nie musi odczytywać stanu kwantowego przetwarzanego podczas realizacji programu.
Efekt? Średni poziom błędów pojedynczych bramek kwantowych spadł z około 0,14% do 0,065%, czyli o 54%. Z kolei w porównaniu z największymi błędami obserwowanymi bez automatycznej regulacji poprawa sięgnęła nawet 77%. Warto jednak pamiętać, że te wartości dotyczą konkretnego eksperymentu na jednym kubicie, a nie zwiększenia wydajności całego komputera kwantowego o ponad połowę.
Przyszłość komputerów kwantowych może zależeć od klasycznej elektroniki
Kiedy rozmawiałem ze Sławomirem Kumką z IBM o przyszłości komputerów kwantowych, jednym z ważniejszych wniosków była dla mnie rola klasycznej infrastruktury, która musi współpracować z procesorem kwantowym. Najnowszy eksperyment dobrze pokazuje, dlaczego jest to tak istotne. Nawet najbardziej zaawansowany kubit niewiele nam da, jeśli elektronika sterująca nie będzie potrafiła odpowiednio reagować na zmiany jego właściwości.
Podobny problem stabilności informacji poruszałem już przy procesorze Majorana 2 Microsoftu, choć tam producent obrał zupełnie inny kierunek, próbując ograniczyć podatność informacji kwantowej na zakłócenia poprzez konstrukcję samego układu. Najnowsze badanie jest o tyle ciekawe, że nie wymaga całkowitego wyeliminowania niedoskonałości sprzętu. Zamiast tego elektronika ma nauczyć się z nimi funkcjonować.
Naturalnie nie dostaliśmy uniwersalnego lekarstwa na kwantowe błędy. Obecna metoda wymaga wcześniejszej znajomości obu możliwych częstotliwości, a kubit musi pozostawać w danym stanie wystarczająco długo, żeby kontroler zdążył zareagować. Nie jest to również odpowiednik pełnej kwantowej korekcji błędów, która ma chronić informacje przed znacznie szerszą grupą zakłóceń. Naukowcy muszą też dopiero wykazać, że podobne mechanizmy przyniosą oczekiwane korzyści w procesorach z tysiącami kubitów.
