Fizycy z Uniwersytetu w Sydney zaprezentowali nowy typ bramek logicznych, który drastycznie zmniejsza wymagania sprzętowe potrzebne do przetwarzania informacji kwantowych. Wyniki ich badań, opublikowane właśnie w prestiżowym periodyku naukowym Nature Physics, wskazują, że zaawansowany kod korekcji błędów, przez lata uznawany za czysto teoretyczny, nadaje się do skutecznego wykorzystania w praktyce.
Kluczowym narzędziem w tym osiągnięciu jest tzw. kod Gottesmana-Kitaeva-Preskilla (kod GKP), często określany mianem „kamienia z Rosetty” informatyki kwantowej. Podobnie jak starożytny artefakt, który pozwolił odczytać egipskie hieroglify, kod GKP umożliwia tłumaczenie subtelnych, ciągłych oscylacji układów kwantowych na uporządkowane stany cyfrowe. Dzięki temu błędy mogą być łatwiej wykrywane i korygowane, a kubity logiczne zapisywane w bardziej kompaktowy sposób. Naukowcy od dawna dostrzegali potencjał tego rozwiązania do redukowania liczby potrzebnych kubitów fizycznych, jednak jego praktyczna realizacja była niezwykle trudna.
Czytaj także: Fizycy odwrócili splątanie kwantowe! To nigdy nie miało się wydarzyć
Zespół badaczy z Sydney przełamał teraz tę barierę, wykorzystując naturalne drgania uwięzionego jonu – naładowanego atomu iterbu – utrzymywanego w tzw. pułapce Paula. Precyzyjne lasery w temperaturze pokojowej pozwoliły im kontrolować harmoniczne oscylacje atomu i zakodować w nich stany GKP. Co najważniejsze, udało się je także po raz pierwszy ze sobą wzajemnie splątać.
Dzięki temu badacze zademonstrowali pierwszy uniwersalny zestaw bramek logicznych dla kubitów GKP. Bramki logiczne – zarówno w komputerach klasycznych, jak i kwantowych – pełnią funkcję przełączników umożliwiających obliczenia. W systemach kwantowych opierają się one na splątaniu, czyli niezwykle subtelnym powiązaniu między cząstkami, które stanowi fundament przyszłej potęgi komputerów kwantowych.
Kod GKP może zrewolucjonizować komputery kwantowe
Osiągnięcie jest imponujące nie tylko ze względów teoretycznych. Naukowcy udowodnili, że dwa logiczne kubity z korekcją błędów mogą być zapisane i splątane w pojedynczym atomie. W praktyce oznacza to, że zamiast stosować rozległe macierze atomów lub kosztowne układy nadprzewodzące, takie operacje można wykonać na drganiach jednego jonu.
Czytaj także: Splątanie kwantowe w protonach. Wyniki ostatnich eksperymentów są naprawdę niesamowite
Kluczowym elementem sukcesu było również zaawansowane oprogramowanie do sterowania kwantowego opracowane przez firmę Q-CTRL, spin-off Uniwersytetu w Sydney. Algorytmy sterowania pozwoliły zminimalizować zniekształcenia delikatnych struktur GKP, gwarantując niezawodne przetwarzanie informacji.
W serii trzech eksperymentów naukowcy pokazali, że kod GKP można nie tylko stabilnie zapisywać, lecz także precyzyjnie nim manipulować. Splątując dwa stany kwantowe pojedynczego atomu, stworzyli bramkę logiczną, która znacząco obniża zapotrzebowanie na sprzęt i otwiera nowe możliwości skalowania systemów kwantowych.
Wszystko wskazuje na to, że może to być kamień milowy na drodze do stworzenia praktycznych komputerów kwantowych. Uniwersalne bramki logiczne oparte na odpornych na błędy kubitach mogą w przyszłości stać się fundamentem maszyn zdolnych do wykonywania obliczeń, które obecnie pozostają poza zasięgiem klasycznej technologii.