Komputasi kuantum Diharapkan untuk meninggalkan komputasi klasik dalam debu ketika datang untuk memecahkan beberapa masalah paling sulit di dunia. Namun, mesin kuantum terbaik memiliki kelemahan besar: mereka sangat rentan terhadap kesalahan.
Itulah sebabnya lapangan berjalan untuk mengembangkan dan mengimplementasikan skema untuk koreksi kesalahan kuantum (QEC) untuk meringankan kurangnya keandalan teknologi yang melekat. Pendekatan -pendekatan ini melibatkan pengembangan PHK dalam cara informasi dikodekan dalam Qubit Dari komputer kuantum, sehingga jika beberapa kesalahan merangkak ke dalam perhitungan, seluruh perhitungan tidak gila. Tanpa koreksi kesalahan tambahan, tingkat kesalahan dalam qubit adalah sekitar 1 dari 1.000 versus 1 dalam 1 juta juta dalam bit komputasi klasik.
Sifat yang tidak biasa dari Mekanika kuantum Namun, lakukan ini jauh lebih rumit daripada koreksi kesalahan dalam sistem klasik. Implementasi teknik ini pada skala praktis juga akan membutuhkan komputer kuantum yang jauh lebih besar dari perangkat utama saat ini.
Tetapi pedesaan telah melihat kemajuan yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir, yang berpuncak pada hasil historis dari peralatan komputer Google Quantum Desember lalu. Perusahaan mengumumkan yang baru Prosesor kuantum disebut saus Itu memberikan bukti konklusif pertama bahwa QEC dapat naik ke ukuran besar perangkat yang diperlukan untuk menyelesaikan masalah praktis.
“Ini adalah hasil historis untuk pertama kalinya QEC benar -benar berfungsi.” Joschka RoffeAnggota Inovasi di Universitas Edinburgh dan penulis a Studi 2019 dalam koreksi kesalahan kuantumKatanya dalam sains langsung. “Masih ada jalan panjang yang harus ditempuh, tapi ini adalah langkah pertama, bukti konsep.”
Mengapa kita membutuhkan koreksi kesalahan kuantum?
Komputer kuantum dapat memanfaatkan fenomena kuantum eksotis seperti menjerat dan tumpang tindih untuk menyandikan data secara efisien dan perhitungan proses paralel, bukan secara berurutan sebagai komputer klasik. Dengan demikian, daya pemrosesan meningkat secara eksponensial semakin banyak qubit menambah sistem untuk jenis masalah tertentu. Tetapi keadaan kuantum ini secara inheren rapuh, dan bahkan interaksi terkecil dengan lingkungan mereka dapat membuat mereka runtuh.
Itulah sebabnya komputer kuantum melakukan segala yang mungkin untuk memisahkan qubit mereka dari gangguan eksternal. Ini biasanya dilakukan dengan menjaga mereka pada suhu ultra rendah atau vakum, atau menyandikannya dalam foton yang berinteraksi lemah dengan lingkungan.
Tetapi bahkan kemudian, kesalahan dapat masuk dan terjadi pada tingkat yang jauh lebih besar daripada di perangkat klasik. Operasi logis dalam prosesor kuantum terbaru Google gagal pada tingkat sekitar 1 dari 100, kata Roffe.
“Kami harus menemukan cara untuk menyatukan jurang ini sehingga kami dapat menggunakan komputer kuantum untuk menjalankan beberapa aplikasi yang sangat menarik yang telah kami usulkan untuk mereka,” katanya.
Skema QEC dibangun di bagian atas ide -ide yang dikembangkan pada tahun 1940 -an untuk komputer pertama, yang jauh lebih dapat diandalkan daripada perangkat saat ini. Chip modern tidak lagi membutuhkan koreksi kesalahan, tetapi skema ini masih banyak digunakan dalam sistem komunikasi digital yang lebih rentan terhadap kebisingan.
Mereka bekerja dengan membangun redundansi dalam informasi yang ditransmisikan. Cara termudah untuk mengimplementasikan ini adalah hanya mengirim pesan yang sama beberapa kali, kata Roffe, sesuatu yang dikenal sebagai kode pengulangan. Bahkan jika beberapa salinan menyajikan kesalahan, penerima dapat menyelesaikan apa pesannya ketika mengamati informasi yang paling sering diulang.
Tetapi pendekatan ini tidak diterjemahkan dengan sempurna ke dunia kuantum, kata Roffe. Status kuantum yang digunakan untuk menyandikan informasi dalam runtuhnya komputer kuantum jika ada interaksi dengan lingkungan eksternal, bahkan ketika mencoba mengukurnya. Ini berarti bahwa tidak mungkin membuat salinan keadaan kuantum, sesuatu yang dikenal sebagai “Teorema non -kloning. “Akibatnya, para peneliti harus menemukan skema yang lebih rumit untuk dibangun dalam redundansi.
Apa itu qbit logis dan mengapa begitu penting?
Unit informasi mendasar pada komputer kuantum adalah qbit, yang dapat dikodekan dalam berbagai sistem fisik, termasuk sirkuit superkonduktor, ion yang terperangkap, atom netral dan Foton (Partikel Cahaya). “Qubit fisik” yang disebut ini sangat rentan terhadap kesalahan, tetapi dimungkinkan untuk memperluas unit informasi kuantum di beberapa dari mereka menggunakan Fenomena kuantum kusut.
Ini mengacu pada situasi di mana keadaan kuantum dari dua atau lebih partikel secara intrinsik saling terkait satu sama lain. Dengan menguatkan beberapa qubit fisik, dimungkinkan untuk mengkodifikasi satu keadaan kuantum tunggal yang dibagikan di dalamnya, kata Roffe, sesuatu yang dikenal sebagai “qbit logis.” Penyebaran informasi kuantum dengan cara ini menciptakan redundansi, sehingga bahkan jika beberapa qubit fisik mengalami kesalahan, informasi umum tidak hilang.
Namun, proses deteksi dan koreksi kesalahan apa pun diperumit oleh fakta bahwa keadaan qubit fisik tidak dapat secara langsung mengukur tanpa membuat mereka runtuh. “Jadi kamu pasti lebih pintar tentang apa yang sebenarnya kamu ukur,” Dominic WilliamsonSeorang anggota staf peneliti IBM mengatakan sains langsung. “Anda mungkin berpikir bahwa pengukuran hubungan antara [the qubits] alih -alih mengukurnya secara individual. “
Ini dilakukan dengan menggunakan kombinasi “data qubit” yang mengkodekan informasi kuantum dan jangkar “QBits” yang bertanggung jawab untuk mendeteksi kesalahan dalam qubit ini, kata Williamson. Setiap ancilla qubit berinteraksi dengan sekelompok data qubit untuk memverifikasi apakah jumlah nilainya ganjil atau bahkan secara langsung mengukur keadaan masing -masing.
Jika terjadi kesalahan dan nilai salah satu data qubit telah berubah, hasil tes ini akan diputar, menunjukkan bahwa kesalahan telah terjadi pada kelompok itu. Algoritma klasik digunakan untuk menganalisis pengukuran beberapa qubit ancilla untuk mengidentifikasi lokasi kesalahan. Setelah ini diketahui, suatu operasi dapat dilakukan dalam qbit logis untuk memperbaiki kesalahan.
Apa pendekatan koreksi kesalahan utama?
Sementara semua skema QEC berbagi proses ini, rincian dapat sangat bervariasi. Keluarga teknik yang paling banyak dipelajari dikenal sebagai “kode permukaan”, yang menyebarkan qubit logis dalam kisi -kisi 2D data chbits diselingi dengan qubit ancilla. Kode permukaan cocok untuk komputer kuantum berdasarkan sirkuit superkonduktif yang dikembangkan oleh Google dan IBM, yang qubit fisiknya diatur dalam jenis kisi ini.
Tetapi setiap Ancilla Qubit hanya dapat berinteraksi dengan data tetangga langsung, yang mudah dirancang tetapi relatif tidak efisien, kata Williamson. Diperkirakan bahwa dengan pendekatan ini, setiap qubit logis akan membutuhkan sekitar 1.000 fisikawan, tambahnya.
Ini telah menyebabkan minat yang meningkat pada keluarga skema QEC yang dikenal sebagai Kode Kontrol Paritas Kepadatan Rendah (LDPC), kata Williamson. Ini didasarkan pada interaksi lingkup yang lebih besar antara qubit, yang dapat secara signifikan mengurangi jumlah total yang diperlukan. Satu -satunya masalah adalah bahwa secara fisik menghubungkan qubit ke jarak yang lebih besar adalah tantangan, meskipun lebih sederhana untuk teknologi seperti atom netral dan ion yang ditularkan, di mana qubit fisik dapat dipindahkan secara fisik.
Namun, prasyarat untuk salah satu skema ini untuk bekerja, kata Roffe, mengurangi tingkat kesalahan qubit individu di bawah ambang batas penting. Jika perangkat keras yang mendasarinya tidak dapat diandalkan, kesalahan akan menumpuk lebih cepat daripada skema koreksi kesalahan dapat menyelesaikannya, terlepas dari berapa banyak qubit yang ditambahkan ke sistem. Sebaliknya, jika tingkat kesalahan cukup rendah, tambahkan lebih banyak qubit ke sistem dapat menyebabkan peningkatan eksponensial dalam penindasan kesalahan.
Dokumen Google baru -baru ini telah memberikan bukti meyakinkan pertama bahwa ini dalam jangkauan. Dalam serangkaian percobaan, para peneliti menggunakan chip willow 105 -quit mereka untuk menjalankan kode permukaan dalam matriks yang semakin besar. Mereka menunjukkan bahwa setiap kali mereka memperluas jumlah qubit, tingkat kesalahan menjadi dua.
“Kami ingin dapat menekan tingkat kesalahan untuk satu miliar faktor atau sesuatu, jadi masih ada jalan panjang yang harus ditempuh,” kata Roffe kepada Live Science. “Tapi semoga, ini membuka jalan bagi kode permukaan yang lebih besar yang benar -benar secara signifikan menekan tingkat kesalahan ke titik di mana kita dapat melakukan sesuatu yang berguna.”
