Některé klasické počítače mají ve svých pamětech zabudovanou opravu chyb na základě bitů; kvantové počítače bude také potřebovat mechanismy pro opravu chyb, založené na mnohem citlivějších qubitech, aby byly v budoucnu funkční.
Elektronické měřící zařízení – ilustrační foto. Obrazový kredit: John Barkiple přes Unsplash, bezplatná licence
Výzkumníci z Cornell nedávno udělali krok ke kvantovým počítačům odolným proti chybám: zkonstruovali jednoduchý model obsahující exotické částice zvané neabelovské anyony, dostatečně kompaktní a praktický, aby běžel na moderním kvantovém hardwaru. Uvědomění si těchto částic, které mohou existovat pouze ve dvou dimenzích, je krokem k jejich implementaci do reálného světa.
Díky určitému kreativnímu myšlení Yuri Lensky, bývalý postdoktorand ve fyzice na College of Arts and Sciences (A&S) Bethe/Wilkins/Kavli Institute v Cornell (KIC), spolupracující s Eun-Ah Kim, profesor fyziky (A&S), přišel s jednoduchým „receptem“, který by mohl být použit pro robustní výpočty s neabelovskými anyony, včetně konkrétních instrukcí pro experimentální provedení efektu na dnes dostupných zařízeních.
Jejich papír, "Graph Gauge Theory of Mobile Non-Abelian Anyons v Qubit Stabilizer Code,” napsaný ve spolupráci s teoretiky z Google Quantum AI, byl publikován v Annals of Physics.
Výzkumníci společnosti Google Quantum AI a Lensky a Kim potvrdili teorii úspěšným experimentem, jak je uvedeno v předtištěné publikaci, „Pozorování neabelovských burzovních statistik na supravodivém procesoru,” na platformě pro sdílení výzkumu arXiv.
"Tento dvourozměrný stav je zajímavý jak z pohledu fyziky kvantové kondenzované hmoty - má některé nové vlastnosti, které jsou velmi speciální pro 2D fyziku - tak z pohledu kvantové informace," řekl Lensky.
„Je to něco skutečně kvantového, ale je to také potenciálně užitečné pro kvantové výpočty. Chrání bity kvantových informací tím, že je ukládá nelokálně, a náš protokol nám umožňuje s těmito bity počítat.“
Kim vysvětlil princip, který oživuje neabelské anyony, tak, že natáhl dvě stejné jednolibrové činky. Když zkříží ruce, stejné činky změní polohu, ale jako objekty definované klasickou fyzikou jejich stav zůstává stejný. Jsou zaměnitelné.
Pokud tyto činky představují dvě identické kvantové částice, je pozoruhodné, že v určitých 2D systémech mohou jejich stopy časoprostorem vytvořit měřitelný záznam změny (představte si zkřížená ramena). Tento proces výměny se nazývá cop, podle tvarů částice. stezky.
"Kvantově mechanicky, když pohybujete jednou částicí kolem druhé," řekl Kim, přičemž jedno závaží držel v klidu a druhé pohyboval kolem ní v kruhu, "vlnová funkce, která je řešením Schrödingerovy rovnice popisující kvantově mechanický pohyb, může být vynásoben fázovým faktorem nebo se může stát něčím, co je velmi odlišné.“
Když vlnová funkce získá globální znaménko, které lze pozorovat pouze pomocí interferometrie, měření interference vln, které se nazývá abelovský anyon. Když se vlnová funkce stane měřitelně odlišnou, je to někdo neabelovský, řekla.
Non-Abelian anyony by mohly být využity k vytvoření qubity definovaných ne na jedné částici, ale na páru identických kvantových částic: nelokálně zakódované.
„Pokud dám qubit sdílený mezi těmito částicemi do nulového stavu a oddálím je od sebe, pak ať se stane lokálně s jedním z těchto anyonů, nulový stav zůstane. Qubit nastavený na nulu je v bezpečí před korupcí,“ řekl Kim. "Nikoli neabelští kdokoli by mohl být použit v platformě pro chráněné qubity."
Ale zatímco fyzici teoretizovali o těchto exotických částicích už léta – Alexej Kitaev navrhl operovat na chráněných kouscích kvantové paměti splétáním neabelovských anyonů již kolem roku 2001, Lensky řekl – dosud nebyly nikdy pozorovány ve fyzickém systému.
Když Google Quantum AI vyvinul možnosti platformy kvantových procesorů k realizaci povrchového kódu a opletení abelovských anyonů ve fyzickém systému, Lensky řekl: „Toto byla [naše] inspirace hledat způsob, jak realizovat fyziku neabelovských anyonů jako co nejdříve."
"Věděli jsme, že mají pracovní ingredience, ale neměli recept," řekla Kim. "Přišli jsme na to, jak přesunout tyto neabelovské anyony, a pak jsme řekli experimentátorům, co mají dělat." Bylo to možné, protože Yuri a já jsme přemýšleli flexibilním, kreativním a otevřeným způsobem.“
Minulé teoretické výzkumy identifikovaly neabelovské vlastnosti, ale nedospěly k tomu, jak je přesunout, což je nezbytný krok. Klíčovým postřehem od Lenského a Kim bylo vzdát se pravidelnosti mřížky a uspořádat qubity téměř ručně kresleným způsobem, ale podloženým robustní matematikou.
"Po tomto jednoduchém geometrickém pohledu pomocí teorie měřidel jsme byli schopni přijít s protokolem pořízení tohoto obrázku a jeho implementace na čip robustním a efektivním způsobem," řekl Kim. "S tímto 10-qubitovým systémem jsme byli schopni zakódovat několik neabelovských anyonů, a tudíž více logických qubitů nesoucích informace, a přesný recept na to, co experimentátoři potřebují udělat na každém kroku."
"Ačkoli těžištěm teorie a experimentu je jednoduše realizovat neabelovské anyony v reálném světě, lze to také považovat za první malý krok k implementaci počítání pomocí pletení," řekl Lensky.
Zdroj: Cornell University
