Błędy w obliczeniach kwantowych stanowią fundamentalny problem – nawet najbardziej zaawansowane maszyny kwantowe mogą stać się bezużyteczne przez tzw. szum kwantowy. Powstaje on głównie z dwóch powodów: niedoskonałości konstrukcji urządzeń oraz fundamentalnych praw fizyki, jak dekoherencja czy utrata stanu kubitów.
Zespół z Oxfordu skoncentrował się w swoich pracach na tym pierwszym aspekcie, praktycznie eliminując szum pochodzący z konstrukcji systemu i metod sterowania. Pełne wyniki badań zostały udostępnione w czerwcu w czasopiśmie APS Physical Review Letters.
Dla porównania: prawdopodobieństwo uderzenia piorunem w danym roku (1 na 1,2 miliona) jest większe niż to, że jedna z bramek logiki kwantowej z Oxfordu popełni błąd
Pułapkowane jony w roli głównej
Kluczem okazało się nietypowe a zarazem nowatorskie podejście do tematu. Zamiast popularnych kubitów fotonowych, badacze wykorzystali jony wapnia-43 utrzymywane w pułapkach elektromagnetycznych. Sterowano nimi za pomocą sygnałów mikrofalowych, wprowadzając je w specjalny stan zwany “zegarem atomowym”.
Technologia ta oferuje kilka wyraźnych korzyści:
- Znacznie większa stabilność działania
- Obniżenie kosztów wytwarzania
- Uproszczenie integracji z układami scalonymi
- Możliwość pracy w temperaturze pokojowej
Opracowany przez zespół algorytm automatycznie wykrywa i koryguje zakłócenia generowane przez mikrofale sterujące jonami. Dzięki temu osiągnięto dokładność bramki jednokubitowej na poziomie 99,9999%.
Czytaj także: Komputery kwantowe imponują, ale są podatne na błędy. To się właśnie zmieniło
Poprzez drastyczne zmniejszenie prawdopodobieństwa błędu, udało się znacząco zredukować infrastrukturę wymaganą do korekcji błędów, otwierając drogę do tworzenia mniejszych, szybszych i wydajniejszych komputerów kwantowych przyszłości — Molly Smith, doktorantka na Uniwersytecie Oksfordzkim
Perspektywy dla technologii kwantowych
Taka precyzja może znacząco wpłynąć na konstrukcję komputerów kwantowych. Mniejsza liczba błędów oznacza, że mniej kubitów trzeba przeznaczać na ich korekcję, co prowadzi do zmniejszenia rozmiarów urządzeń, obniżenia kosztów produkcji, zwiększenia mocy obliczeniowej oraz znacznego przyspieszenia działania systemów. Warto tutaj dodać, że ta sama precyzyjna kontrola kubitów znajdzie zastosowanie w innych dziedzinach, takich jak zegary atomowe czy czujniki kwantowe.
Wyzwania nie zniknęły
Mimo imponującego osiągnięcia, naukowcy zdają sobie sprawę z ograniczeń. Rekordowa dokładność dotyczy wyłącznie operacji na pojedynczych kubitach. Bramki dwukubitowe – niezbędne do skomplikowanych obliczeń – nadal generują błąd średnio raz na 2000 operacji.
O ile nam wiadomo, jest to najdokładniejsza operacja na kubicie, jaka kiedykolwiek została zarejestrowana na świecie. To ważny krok w kierunku budowy praktycznych komputerów kwantowych, które będą w stanie rozwiązywać rzeczywiste problemy — Profesor David Lucas, kierownik zespołu badawczego
Droga do w pełni funkcjonalnych, odpornych na błędy komputerów kwantowych pozostaje długa. Niemniej każde takie osiągnięcie przybliża moment, w którym obliczenia kwantowe wyjdą z laboratoriów do praktycznych zastosowań. Trudno nie docenić postępu, choć warto zachować umiarkowany optymizm – prawdziwa rewolucja wymaga jeszcze wielu podobnych kroków.