Komputery kwantowe obiecują rozwiązać niektóre problemy, które są dziś niezwykle trudne dla komputerów.
Ale istnieje poważna przeszkoda: informacja kwantowa jest bardzo krucha, a nawet najdrobniejsze zakłócenia mogą spowodować błędne obliczenia.
Naukowcy z Chalmers University of Technology w Szwecji zaproponowali obecnie sposób wykonywania szerokiego zakresu zaawansowanych operacji kwantowych ponad 1000 razy szybciej niż niektóre wcześniejsze metody. Dzięki szybszemu wykonywaniu operacji podejście pozwala skrócić czas gromadzenia błędów.
Camp Nou będzie miejscem finału Ligi Mistrzów
Badanie teoretyczne zostało opublikowane w Physical Review Letters pod tytułem „Jednookresowa kontrola Floqueta kodów bosonowych z bramkami sieci kwantowej”. Autorami są Tangyou Huang, Lei Du i Lingzhen Guo, którzy są związani z Uniwersytetem Technologicznym Chalmersa oraz Uniwersytetem w Tiencinie.
Zwykłe komputery przechowują informacje jako bity, które zwykle mają wartość 0 lub 1. Komputery kwantowe wykorzystują bity kwantowe, czyli kubity, które mogą zachowywać się w bardziej złożony sposób i umożliwiają całkowicie inne wykonywanie niektórych obliczeń.
To nietypowe zachowanie może ostatecznie pomóc w rozwiązywaniu problemów w takich dziedzinach jak chemia, rozwój leków, technologia energetyczna, logistyka i nauka o materiałach. Jednak użyteczne komputery kwantowe na dużą skalę będą musiały kontrolować błędy poprzez długie i skomplikowane obliczenia.
Jest to trudne, ponieważ kubity są niezwykle czułe. Zakłócenia elektryczne, niepożądane ciepło, promieniowanie i inne drobne zmiany w otoczeniu mogą zakłócić ich stan kwantowy i uszkodzić przetwarzaną informację.
Naukowcy rozwijają więc kwantową korekcję błędów. Podstawowym celem jest ochrona ważnych informacji, aby błędy mogły zostać wykryte i poprawione zanim zepsują całe obliczenie.
Zespół Chalmersa badał podejście znane jako bozoniczne kody kwantowe. Zamiast przechowywać informacje kwantowe wyłącznie w pojedynczych kubitach, kody te mogą umieszczać informacje w sterowanych polach mikrofalowych wewnątrz obwodów nadprzewodzących.
Ta metoda może zapewnić wbudowaną ochronę przed pewnymi typami błędów. Jednak tworzenie i kontrolowanie skomplikowanych stanów kwantowych potrzebnych dla tych kodów samo w sobie było powolne i trudne.
Poprzednie metody mogły wymagać tysięcy powtarzających się cykli sterowania, aby uzyskać pożądaną operację. Każdy kolejny cykl zajmuje czas, a dłuższe operacje dają zakłóceniom środowiskowym więcej możliwości zakłócania informacji kwantowej.
Naukowcy opracowali skrót oparty na tym, co nazywają bramkami sieci kwantowej. Te bramki są podstawowymi narzędziami sterującymi zaprojektowanymi do wykonywania szerokiego zakresu operacji nad stanami kwantowymi bozonowymi.
Dzięki nowej metodzie operacje, które wcześniej wymagały kilku tysięcy cykli napędu, mogą zostać wykonane w jednym cyklu. W niektórych zadaniach oznacza to wzrost prędkości przekraczający 1000 razy.
Badacz Lei Du wyjaśnił, że szybsze operacje to nie tylko kwestia wcześniejszego wykonania obliczeń przez komputer kwantowy. Skrócenie długości operacji może również zmniejszyć ryzyko zakłóceń zewnętrznych, które zniszczą informacje przed jej zakończeniem.
Współautorka Tangyou Huang porównała ten pomysł do budowy dużego zamku z Lego. Zamiast układać każdą klockę osobno, nowe bramy są bardziej gotowymi sekcjami, które można szybko złożyć, zmniejszając liczbę wymaganych kroków.
Technika ta wykorzystuje starannie zaprojektowane, powtarzalne sygnały sterujące do sterowania układem kwantowym. Wcześniejsze podejścia oparte na podobnych powtarzalnych sygnałach zazwyczaj wymagały wielu cykli, podczas gdy nowy projekt pozwala na bezpośrednie wygenerowanie zamierzonej bramki w jednym cyklu.
Kolejną zaletą jest to, że propozycja została zaprojektowana dla nadprzewodzących układów kwantowych. Systemy nadprzewodzące są już szeroko stosowane w badaniach nad komputerami kwantowymi, więc metoda ta może być kompatybilna z technologią rozwijaną obecnie w laboratoriach.
Sam Chalmers pracuje nad nadprzewodzącymi obliczeniami kwantowymi, w tym nad maszyną o pojemności 100 kubitów. Naukowcy mówią, że omawiają możliwe eksperymentalne testy nowej techniki z kolegami.
Etap eksperymentalny będzie istotny. Obecne prace są teoretyczne, co oznacza, że badacze pokazali poprzez analizę matematyczną i komputerową, jak metoda powinna działać, ale wciąż musi być demonstrowana w rzeczywistych dobrach kwantowych.
Jeśli eksperymenty potwierdzą przewidywaną prędkość i kontrolę, podejście to może rozwiązać ważne wąskie gardło w obliczeniach kwantowych. Szybkie przygotowanie i kontrola stanów kwantowych chronionych przed awariami będzie kluczowe, jeśli przyszłe maszyny mają być w stanie niezawodnie wykonywać długie obliczenia.
Badanie nie oznacza, że odporne na awarie komputery kwantowe są już gotowe. Wciąż pozostaje wiele wyzwań inżynieryjnych i naukowych, w tym ulepszanie sprzętu, ograniczenie różnych typów awarii oraz skalowanie systemów do znacznie większej liczby niezawodnych komponentów kwantowych.
Mimo to badania te dają możliwość znacznie przyspieszenia jednej ważnej części obliczeń kwantowych. Skracając skomplikowane operacje z tysięcy cykli sterowania do jednego, metoda ta może pomóc naukowcom budować systemy kwantowe, które mają mniej czasu na popełnianie błędów.
Czytaj na TimePeopleWorld: Avengers: Doomsday Breaks Barrier — Historyczny rekord przedsprzedaży szokuje branżę