Znajdź zawartość

Najnowszy numer Nature przynosi przełomowe informacje na temat praktycznego wykorzystania komputerów kwantowych. Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) wykazali, że możliwe jest stworzenie niemal wolnego od błędów krzemowego procesora kwantowego. Dzisiejsza publikacja pokazuje, że obliczenia przeprowadzane przez nasz procesor były w ponad 99% wolne od błędów. Gdy odsetek błędów jest tak mały, możliwym staje się ich wykrywanie i korygowanie w czasie rzeczywistym. A to oznacza, że można wybudować skalowalny komputer kwantowy wykonujący wiarygodne obliczenia, wyjaśnia profesor Andrea Morello z UNSW. Morello stoi na czele zespołu złożonego z naukowców z Australii, USA, Japonii i Egiptu. Ich celem jest zbudowanie uniwersalnego komputera kwantowego, czyli maszyny, której możliwości obliczeniowe nie będą ograniczone do jednego rodzaju zadań. Badania, których wyniki właśnie opublikowaliśmy, to bardzo ważny krok w tym kierunku, podkreśla uczony. Jednak, co niezwykle ważne, artykuł Morello i jego zespołu to jeden z trzech tekstów z Nature, których autorzy informują o niezależnym od siebie osiągnięciu niskiego odsetka błędów w opartych na krzemie procesorach kwantowych. Z najnowszego Nature, którego redakcja zdecydowała się na zilustrowanie kwantowego przełomu na okładce, dowiadujemy się, że wiarygodność operacji obliczeniowych na jednym kubicie osiągnięta przez Morello i jego zespół wyniosła 99,95%, a operacji na dwóch kubitach – 99,37%. Niezależnie od nich zespół z holenderskiego Uniwersytetu Technologicznego w Delft, prowadzony przez Lievena Vandersypena osiągnął wiarygodność rzędu 99,87% przy operacjach na jednym kubicie i 99,65% podczas operacji dwukubitowych. W trzecim z artykułów czytamy zaś o pracach naukowców z japońskiego RIKEN, w trakcie których grupa Seigo Taruchy mogła pochwalić się wiarygodnością 99,84% przy działaniach na jednym kubicie i 99,51% przy pracy z dwoma kubitami. Wydajność procesorów z UNSW i Delft została certyfikowana zaawansowaną metodą gate set tomography opracowaną przez amerykańskie Sandia National Laboratories, a wyniki certyfikacji zostały udostępnione innym grupom badawczym. Zespół profesora Morello już wcześniej wykazał, że jest w stanie utrzymać kwantową informację w krzemie przez 35 sekund. W świecie kwantowym 35 sekund to wieczność. Dla porównania, słynne nadprzewodzące komputery kwantowe Google'a i IBM-a są w stanie utrzymać taką informację przez około 100 mikrosekund, czyli niemal milion razy krócej, zauważa Morello. Osiągnięto to jednak izolując spiny (kubity) od otoczenia, co z kolei powodowało, że wydaje się niemożliwym, by kubity te mogły wejść ze sobą w interakcje, a więc nie mogły wykonywać obliczeń. Teraz z artykułu w Nature dowiadujemy się, że udało się pokonać problem izolacji wykorzystując elektron okrążający dwa jądra atomu fosforu. Gdy masz dwa jądra połączone z tym samym elektronem, może zmusić je do wykonywania operacji kwantowych, stwierdza doktor Mateusz Mądzik, jeden z głównych autorów eksperymentów. Gdy nie operujesz na elektronie, jądra te mogą bezpiecznie przechowywać kwantowe informacje. Teraz jednak mamy możliwość, by jądra wchodziły w interakcje za pośrednictwem elektronu i w ten sposób możemy wykonywać uniwersalne operacje kwantowe, które mogą rozwiązywać każdy rodzaj problemów obliczeniowych, wyjaśnia Mądzik. Gdy splączemy spiny z elektronem, a następnie możemy elektron ten przesunąć w inne miejsce i splątać go z kolejnymi kubitami, tworzymy w ten sposób duże macierze kubitów zdolnych do przeprowadzania solidnych użytecznych obliczeń, dodaje doktor Serwan Asaad. Jak podkreśla profesor David Jamieson z University of Melbourne, atomy fosforu zostały wprowadzone do krzemowego procesora za pomocą tej samej metody, jaka jest obecnie używana w przemyśle półprzewodnikowym. To pokazuje, że nasz kwantowy przełom jest kompatybilny z obecnie używanymi technologiami. Wszystkie obecnie używane komputery wykorzystują systemy korekcji błędów i redundancji danych. Jednak prawa mechaniki kwantowej narzucają ścisłe ograniczenia na sposób korekcji błędów w maszynach kwantowych. Konieczne jest osiągnięcie odsetka błędów poniżej 1%. Dopiero wtedy można zastosować kwantowe protokoły korekcji błędów. Teraz, gdy udało się ten cel osiągnąć, możemy zacząć projektować skalowalne krzemowe procesory kwantowe, zdolne do przeprowadzania użytecznych wiarygodnych obliczeń, wyjaśnia Morello. « powrót do artykułu

Twórcy komputerów kwantowych będą musieli przeprojektować je tak, by maksymalnie chronić je przed promieniowaniem tła. Robert McDermott z University of Wisconsin-Madison, którego wcześniejsze badania wykazały, że promieniowanie kosmiczne może poważnie zakłócić pracę komputerów kwantowych, stwierdził teraz, że powszechnie używana metoda korekcji błędów nie poradzi sobie z tym problemem. Prowadzony przez McDermotta międzynarodowy zespół specjalistów sugeruje, że do utrzymania akceptowalnego poziomu błędów konieczne będzie nie tylko zastosowanie fizycznych barier chroniących komputery kwantowe przed promieniowaniem, ale również zmiana w samych projektach układów scalonych. Promieniowanie kosmiczne to znany problem, który trapi też klasyczne komputery, mogąc wywoływać w nich błędy. Jednak w przypadku komputerów kwantowych problem jest większy, gdyż promieniowanie może zmienić stan kubitu w dwóch kierunkach (reprezentowanych przez osie X i Z), a nie w jednym. Dlatego też stosuje się metodę korekcji błędów, w której informacje zapisywane są w jednowymiarowej macierzy kubitów, z których każdy jest połączony z sąsiadem. Przy niewielkiej liczbie błędów możliwe jest wykorzystanie kubitów sąsiednich do naprawienia stanu błędnego kubity. Pod warunkiem jednak, że w tym samym czasie nie przydarzy się błąd w kubitach ze sobą sąsiadujących. Badania zespołu McDermotta wskazują jednak, że błędy powodowane przez promieniowanie kosmiczne i promieniowanie gamma nie spełniają drugiego z warunków. Odkryliśmy istnienie wielu mechanizmów występowania skorelowanych błędów, mówi Chris Wilen, jeden z badaczy. Na potrzeby swoich badań zespół stworzył chip zawierający dwie pary kubitów. Odległość pomiędzy kubitami jednej z par wynosiła 340 µm, a między drugą parą – 640 µm. Podczas przeprowadzania operacji kwantowych na swoim systemie, naukowcy zaobserwowali liczne jednoczesne przeskoki ładunków w parach kubitów. Gdy przeprowadzili modelowanie tych przeskoków za pomocą standardowych narzędzi używanych w fizyce cząstek, odkryli, że ich źródłem są uderzenia promieni kosmicznych i promieni gamma w sam układ scalony. Prawdopodobieństwo skorelowanych przeskoków ładunku było większe w parze o mniejsze odległości pomiędzy kubitami, co wskazuje, że odsunięcie kubitów od siebie pozwoli na zmniejszenie liczby błędów. Odkryto jednak również inny poważny problem. Okazało się bowiem, że energia uderzeń promieni w chip była zamieniana z fonony, wibracje materiału, które mogą prowadzić do powstania kwazicząstek. Gdy fonony się rozprzestrzeniały w układzie, generowały kolejne skorelowane błędy, które pojawiały się w całym niewielkim układzie. I właśnie to „zatrucie kwazicząstkami” może być najpoważniejszym problemem dla systemów korekcji błędów. Autorzy badań proponują dwa rozwiązania problemu. Jeden z nich to zastosowanie ołowianej obudowy wokół kwantowych układów scalonych i umieszczenie ich pod ziemią, tak jak się robi np. z wykrywaczami neutrin. Druga z metod to zmniejszenie wrażliwości kubitów, co można by osiągnąć np. poprzez domieszkowanie chipa materiałami wiążącymi kwazicząstki lub wyprowadzającymi je poza układ. « powrót do artykułu