Nowe podejście do korekcji błędów
Po raz pierwszy udało się splątać dwie wibracje kwantowe w obrębie pojedynczego atomu. To osiągnięcie pozwoliło na stworzenie uniwersalnej bramki logicznej wewnątrz jednego jonu. Dla niewtajemniczonych brzmi to może enigmatycznie, lecz w praktyce oznacza, że do budowy funkcjonalnych komputerów kwantowych potrzeba będzie znacznie mniej fizycznych kubitów niż dotąd zakładano. Wspomniane kubity to po prostu bity kwantowe, które mogą przechowywać zdecydowanie więcej informacji ze względu na zjawisko superpozycji. Podstawą australijskiego przełomu jest wykorzystanie kodów korekcji błędów Gottesmana-Kitaeva-Preskilla (GKP). W odróżnieniu od konwencjonalnych metod, które wymagają wielu fizycznych kubitów do zakodowania jednego logicznego, kody GKP oferują wydajność sprzętową poprzez kodowanie logicznego kubitu w pojedynczym kwantowym oscylatorze harmonicznym.
Czytaj też: Japońskie miasto wprowadza limit na smartfony. Celem poprawa zdrowia obywateli
Kody korekcji błędów GKP od dawna obiecywały redukcję wymagań sprzętowych, aby sprostać wyzwaniu zwiększenia zasobów przy skalowaniu komputerów kwantowych — wyjaśnia jeden z autorów, Tingrei Tan
Tradycyjne podejścia do tworzenia wielkoskalowych, odpornych na błędy komputerów kwantowych wymagają schematów korekcji błędów używających wielu fizycznych kubitów. Głównym ograniczeniem pozostaje duży stosunek fizycznych do logicznych kubitów wymagany przez wiele kodów korekcji błędów, co przekracza możliwości obecnych urządzeń.
Eksperyment z jonem iterbu
Naukowcy wykorzystali pojedynczy jon iterbu uwięziony w pułapce Paula. System ten używa złożonej macierzy laserów w temperaturze pokojowej do utrzymania pojedynczego atomu w pułapce, pozwalając na kontrolę i wykorzystanie jego naturalnych wibracji do tworzenia skomplikowanych kodów GKP. Na pierwszy plan w prowadzonych eksperymentach wysunęło się oprogramowanie do kontroli kwantowej opracowane przez Q-CTRL. Wykorzystano model fizyczny do projektowania bramek kwantowych, które minimalizują zniekształcenia logicznych kubitów GKP, zachowując delikatną strukturę kodu podczas przetwarzania informacji kwantowych. Eksperyment przyniósł imponujące rezultaty. Bramki jednokubitowe osiągnęły średnie wierności w zakresie od 0,94 do 0,96, podczas gdy bramka dwukubitowa C_Z_L uzyskała wierność na poziomie 0,73.
Badaczom udało się również bezpośrednio przygotować stan GKP Bella z próżni w jednym kroku, osiągając wierność stanu logicznego na poziomie 0,83. To pierwsza implementacja uniwersalnego zestawu bramek logicznych dla kubitów GKP, który jest spójny, deterministyczny i zaprojektowany tak, aby unikać zniekształceń słów kodowych. W związku z tym Tan mówi o pierwszej faktycznej demonstracji uniwersalnego zestawu bramek logicznych dla kubitów GKP. Mimo obiecujących wyników, naukowcy identyfikują główne źródła błędów w swoim układzie. Największym problemem pozostaje dekoherencja ruchowa wynikająca z szybkich fluktuacji potencjału pułapki. Zjawisko to wpływa na stabilność i dokładność operacji kwantowych.
Co to oznacza dla przyszłości?
Zespół wskazuje na możliwe ulepszenia sprzętowe, które mogą znacząco zmniejszyć błędy. Zwiększenie szybkości operacji poprzez wzmocnienie sprzężenia światło-atom oraz poprawa protokołów inicjalizacji bozonowego stanu podstawowego to kluczowe kierunki rozwoju.
Demonstrując uniwersalne bramki kwantowe używające tych kubitów, mamy podstawy do pracy nad wielkoskalowym przetwarzaniem informacji kwantowych w bardzo wydajny sprzętowo sposób — dodaje Tan
Czytaj też: Austriaccy naukowcy splątali dziesięć kubitów z fotonami. To może być przełom dla sieci kwantowych
Osiągnięcie australijskich naukowców otwiera drogę do budowy praktycznych, wielkoskalowych maszyn kwantowych z drastycznie zmniejszonymi wymaganiami sprzętowymi. To może przyspieszyć rozwój technologii kwantowych, choć do codziennych zastosowań wciąż daleka droga. Trudno nie dostrzec potencjału tego odkrycia, o czym piszą autorzy publikacji publikacji zamieszczonej w Nature Physics. Technologia kwantowa rozwija się wprawdzie dynamicznie, choć wciąż boryka się z fundamentalnymi wyzwaniami. Nowe podejście do korekcji błędów może być krokiem w dobrą stronę, jednak na praktyczne wdrożenia przyjdzie nam jeszcze poczekać. Australijski eksperyment pokazuje jednak, iż warto szukać alternatywnych rozwiązań w dziedzinie, która wydawała się utknąć w miejscu. Być może właśnie takie niestandardowe podejście okaże się brakującym elementem układanki.