Pierwszy scalony układ kwantowy z korekcją błędów

Na komputery kwantowe czeka cały świat. Nie tylko naukowcy i fani science-fiction. Komputery takie zapowiedziano wiele lat temu i wróżą przyszłość komputerów i przetwarzania danych. W porównaniu do dzisiejszych, procesory kwantowe mają być bardziej wyrafinowane, szybsze i znacznie bardziej wydajniejsze. Jednocześnie układy takie zużywać mają ułamek energii tego co obecne układy. W czym jest trudność? Jak mówi Julian Kelly, student pracujący nad tymi zagadnieniami, jednym z największych wyzwań jakie stoją na drodze do budowy kwantowych układów przetwarzania danych są błędy jakie samoczynnie tworzą się w bitach kwantowych (qbitach). Qbity mogą istnieć we wszystkich stanach jednocześnie. Metoda zapisywania danych jest inna niż w przypadku znanych nam technologii zapisu informacji w sposób binarny. Sposób działania qbitów wynika z superpozycji stanów. W przypadku zaszumionego otoczenia, qbity mogą bardzo łatwo, szybko i nieprzewidywalne zmieniać swój stan, a co za tym idzie tracone są informacje. Naukowcy z Santa Barbara pod kierownictwem profesora Johna Martinisa opracowali układ kwantowy, który jest w stanie nie tylko wykorzystywać moc technologii kwantowej, ale jest w stanie efektywnie przechowywać informacje w qbitach. Mowa tu o sprytnej technice korekcji błędów w qbitach. System ten jest w stanie efektywnie korygować błędy, kompensując wpływ otoczenia. Co więcej, dzieje się to bez ingerencji w stan qbitów. Zgodnie z teorią kwantową, sama obserwacja stanu qbitu powoduje zatrzaśnięcie jego stanu, a tym samym utratę właściwości superpozycji stanów, a więc cech kwantowych. Zastosowano tu ciekawą budowę układu, jak i specjalny algorytm. Pierwszą rzeczą jest połączenie ze sobą 9 qbitów jako jednego elementu. Takie qbity, umieszczone w sieci pilnują swoich sąsiadów. Wszystko to współpracuje z odpowiednim układem korekcji błedów. Algorytm opracowany przez Fowlera wykorzystuje tak zwany kod powierzchniowy. Chodzi o sprawdzanie parzystości zmiany stanu qbitu bez ingerencji w niego samego. Nie odczytuje się ich i nie duplikuje się danych, więc dane w qbitach pozostają nienaruszone. Wykorzystując klasyczne metody korekcji błędów, nie byłoby to możliwe. Fizyka kwantowa tak właśnie działa, o czym wspomnieliśmy powyżej. Próba zmierzenia stanu kwantowego powoduje, że element ten przestaje być kwantowy. Jak się więc do tego zabrać? Dane o parzystości pobiera się z sąsiednich qbitów. Pobiera się w ten sposób niewielką porcję informacji, lecz wystarczająco dużą, aby możliwe było wykrycie błędów, bez ingerencji we właściwości kwantowe samych qbitów. W efekcie, dane w postaci kwantowej mogą być przechowywane znacznie dłużej niż w klasycznych jednostkach, gdzie informacje przetrzymuje się w jednym qbicie. Nowy układ, będący działającym fizycznym obiektem, pozwala połączyć rozważania teoretyczne z praktyką. Jest to też krok milowy w rozwoju tej dziedziny nauki i technologii, jak podają naukowcy. Pracę będą kontynuowane. Udało się zniwelować najpoważniejszy kłopot w technice kwantowej, ale nie jedyny. Kolejnym krokiem będzie zbudowanie układu korekcji fazy qbitu, jako drugiego z najpoważniejszych „dolegliwości” systemów kwantowych. Równocześnie przeprowadzane będą dalsze testy nad prototypem, gdzie sprawdzana będzie skuteczność systemu korekcji błędów w dłuższym przedziale czasowym. Na koniec dodamy, że grupa z Santa Barbara weszła niedawno w partnerstwo z firmą Google, która wspiera rozwój tych technologii.