Мікросхема, що містить іонну пастку, яку дослідники використовують для захоплення й контролю атомних іонних кубітів (квантових бітів). Авторство: Кай Худек/JQI
Експерименти з квантовими комп’ютерами в UMD показують, що об’єднання частин квантового комп’ютера не обов’язково означає поєднання рівня помилок.
Pobody’s nerfect — навіть не байдужі, обчислювальні біти, які є основою комп’ютерів. Але група співробітника JQI Крістофера Монро разом з колегами з Університету Дьюка досягли прогресу в тому, щоб гарантувати, що ми можемо довіряти результатам квантових комп’ютерів, навіть якщо вони побудовані з частин, які іноді виходять з ладу. Вони вперше показали в експерименті, що збірка квантові обчислення шматки можуть бути кращими, ніж найгірші частини, використані для його виготовлення. У статті, опублікованій в журн Nature сьогодні (4 жовтня 2021 року) команда поділилася тим, як вони зробили цей знаковий крок у напрямку створення надійних, практичних квантових комп’ютерів.
У своєму експерименті дослідники об’єднали кілька кубітів — квантової версії бітів — так, щоб вони функціонували разом як єдине ціле, що називається логічним кубітом. Вони створили логічний кубіт на основі квантового коду виправлення помилок, щоб, на відміну від окремих фізичних кубітів, можна було легко виявляти та виправляти помилки, і вони зробили його відмовостійким — здатним містити помилки, щоб мінімізувати їхній негативний вплив.
«Кубіти, що складаються з ідентичних атомарних іонів, самі по собі дуже чисті», — каже Монро, який також є співробітником Об’єднаного центру квантової інформації та комп’ютерних наук і професором факультету фізики Університету Меріленда. «Однак у якийсь момент, коли потрібно багато кубітів і операцій, помилки потрібно ще більше зменшити, і простіше додати більше кубітів і по-іншому кодувати інформацію. Принадність кодів виправлення помилок для атомарних іонів полягає в тому, що вони можуть бути дуже ефективними і їх можна гнучко вмикати за допомогою програмного керування».
Коробка, яка містить квантовий комп’ютер з іонною пасткою в лабораторії Крістофера Монро. кредит:
Марко Цетіна/JQI
Це перший раз, коли було показано, що логічний кубіт є більш надійним, ніж найбільш схильний до помилок крок, необхідний для його створення. Команда змогла успішно перевести логічний кубіт у початковий стан і виміряти його 99.4% часу, незважаючи на те, що вона покладалася на шість квантових операцій, які, як очікується, будуть працювати лише приблизно в 98.9% часу.
Це може здатися невеликою різницею, але це важливий крок у пошуках створення значно більших квантових комп’ютерів. Якби шість квантових операцій були працівниками конвеєра, кожен з яких зосереджувався на одному завданні, конвеєр створював би правильний початковий стан лише 93.6% часу (98.9%, помножене на себе в шість разів) — приблизно в десять разів гірше, ніж помилка, виміряна в експеримент. Це покращення відбувається тому, що в експерименті недосконалі частини працюють разом, щоб мінімізувати ймовірність поєднання квантових помилок і руйнування результату, подібно до того, як уважні працівники вловлюють помилки один одного.
Результати були досягнуті за допомогою системи іонної пастки Монро в UMD, яка використовує до 32 окремих заряджених атомів — іонів — які охолоджуються лазерами та підвішуються над електродами на чіпі. Потім вони використовують кожен іон як кубіт, маніпулюючи ним за допомогою лазерів.
«У нас є 32 лазерні промені, — каже Монро. «А атоми, як качки в рядку; кожен із власним повністю керованим лазерним променем. Я думаю про це так, ніби атоми утворюють лінійну струну, і ми щипаємо її, як гітарну струну. Ми вищипуємо його за допомогою лазерів, які вмикаємо та вимикаємо програмованим способом. І це комп’ютер; це наш центральний процесор».
Успішно створивши за допомогою цієї системи відмовостійкий логічний кубіт, дослідники показали, що ретельний, креативний дизайн має потенціал позбавити квантові обчислення від обмежень неминучих помилок поточного рівня техніки. Відмовостійкі логічні кубіти — це спосіб обійти помилки в сучасних кубітах і можуть стати основою квантових комп’ютерів, які є надійними та достатньо великими для практичного використання.
Виправлення помилок і толерантність до несправностей
Розробка відмовостійких кубітів, здатних виправляти помилки, важлива, оскільки закон Мерфі невблаганний: незалежно від того, наскільки добре ви створили машину, щось з часом піде не так. У комп’ютері будь-який біт або кубіт має певний шанс час від часу не виконувати свою роботу. А безліч кубітів, задіяних у практичному квантовому комп’ютері, означає, що є багато можливостей для помилок.
На щастя, інженери можуть сконструювати комп’ютер так, щоб його частини працювали разом, виявляючи помилки, як-от резервне копіювання важливої інформації на додатковий жорсткий диск або доручення іншій особі читати важливу електронну пошту, щоб виявляти помилки друку, перш ніж надсилати її. І люди, і приводи повинні зіпсувати помилку, щоб вижити. Хоча для виконання завдання потрібно більше роботи, резервування допомагає забезпечити кінцеву якість.
Деякі поширені технології, як-от мобільні телефони та високошвидкісні модеми, наразі використовують виправлення помилок, щоб забезпечити якість передачі й уникнути інших незручностей. Виправлення помилок із використанням простої надлишковості може зменшити ймовірність невловленої помилки, якщо ваша процедура не помиляється частіше, ніж правильно. Наприклад, надсилання або збереження даних у трьох примірниках і довіра більшості голосів може зменшити ймовірність помилки з від одного зі ста до менш ніж одного з тисячі.
Таким чином, хоча досконалість може бути ніколи не досягнута, виправлення помилок може зробити комп’ютер такою ж високою, як потрібно, якщо ви можете дозволити собі витратити додаткові ресурси. Дослідники планують використовувати квантову корекцію помилок, щоб аналогічно доповнити свої зусилля зі створення кращих кубітів і дозволити їм створювати квантові комп’ютери без необхідності долати всі помилки, від яких страждають квантові пристрої.
«Що дивовижне у відмовостійкості, так це те, що це рецепт того, як взяти маленькі ненадійні деталі та перетворити їх на дуже надійний пристрій», — каже Кеннет Браун, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Duke і співавтор статті. «А відмовостійка квантова корекція помилок дозволить нам створювати дуже надійні квантові комп’ютери з несправних квантових частин».
Але квантове виправлення помилок має унікальні проблеми — кубіти складніші за традиційні біти і можуть виходити з ладу різними способами. Ви не можете просто скопіювати кубіт або навіть просто перевірити його значення в середині обчислення. Вся причина переваги кубітів полягає в тому, що вони можуть існувати в квантовій суперпозиції кількох станів і можуть квантово механічно переплутатися один з одним. Щоб скопіювати кубіт, ви повинні точно знати, яку інформацію він зараз зберігає — у фізичних термінах ви повинні виміряти її. А вимірювання переводить його в єдиний чітко визначений квантовий стан, руйнуючи будь-яку суперпозицію чи заплутаність, на яких побудовано квантове обчислення.
Отже, для квантового виправлення помилок ви повинні виправити помилки в бітах, які вам заборонено копіювати або навіть розглядати занадто уважно. Це як коректура із зав’язаними очима. У середині 1990-х років дослідники почали пропонувати способи зробити це, використовуючи тонкощі квантової механіки, але квантові комп’ютери тільки досягають точки, коли вони можуть перевірити теорії.
Ключова ідея полягає в тому, щоб створити логічний кубіт із надлишкових фізичних кубітів таким чином, щоб можна було перевірити, чи кубіти узгоджуються з певними квантово-механічними фактами, навіть не знаючи стану жодного з них окремо.
Неможливо покращити Atom
Існує багато пропонованих кодів квантової корекції помилок на вибір, і деякі з них є більш природними для конкретного підходу до створення квантового комп’ютера. Кожен спосіб створення квантового комп’ютера має свої типи помилок, а також унікальні переваги. Отже, створення практичного квантового комп’ютера вимагає розуміння та роботи з конкретними помилками та перевагами, які дає ваш підхід.
Квантовий комп’ютер на основі іонної пастки, з яким працюють Монро та його колеги, має перевагу в тому, що їхні окремі кубіти ідентичні та дуже стабільні. Оскільки кубіти є електрично зарядженими іонами, кожен кубіт може спілкуватися з усіма іншими в лінії за допомогою електричних поштовхів, що дає свободу порівняно з системами, яким потрібен міцний зв’язок із безпосередніми сусідами.
«Вони являють собою атоми певного елемента та ізотопу, тому їх можна ідеально відтворити», — каже Монро. «І коли ви зберігаєте когерентність у кубітах і залишаєте їх у спокої, вона, по суті, існує вічно. Тож кубіт ідеальний, якщо його залишити окремо. Щоб використовувати цей кубіт, ми маємо штрихнути його лазерами, ми маємо щось робити з ним, ми маємо триматися атом з електродами у вакуумній камері всі ці технічні речі мають шум, і вони можуть впливати на кубіт».
Для системи Монро найбільшим джерелом помилок є операції заплутування — створення квантових зв’язків між двома кубітами за допомогою лазерних імпульсів. Операції заплутування є необхідними частинами роботи квантового комп’ютера та об’єднання кубітів у логічні кубіти. Отже, хоча команда не може сподіватися на те, що їхні логічні кубіти будуть зберігати інформацію більш стабільно, ніж окремі іонні кубіти, виправлення помилок, які виникають під час сплутування кубітів, є життєво важливим покращенням.
Дослідники вибрали код Бекона-Шора, який добре відповідає перевагам і недолікам їхньої системи. Для цього проекту їм знадобилося лише 15 із 32 іонів, які може підтримувати їхня система, і два з іонів не використовувалися як кубіти, а були потрібні лише для рівномірної відстані між іншими іонами. Для коду вони використали дев’ять кубітів для надлишкового кодування одного логічного кубіта та чотири додаткових кубіти для вибору місць, де можливі помилки. Маючи цю інформацію, виявлені несправні кубіти можна, теоретично, виправити без шкоди для «квантової якості» кубітів шляхом вимірювання стану будь-якого окремого кубіта.
«Ключовою частиною квантової корекції помилок є надмірність, тому нам знадобилося дев’ять кубітів, щоб отримати один логічний кубіт», — каже аспірант JQI Лерд Іган, який є першим автором статті. «Але така надлишковість допомагає нам шукати помилки та виправляти їх, оскільки помилка в одному кубіті може бути захищена іншими вісьмома».
Команда успішно використала код Бекона-Шора з системою іонної пастки. Отриманий логічний кубіт вимагав шість операцій заплутування — кожна з очікуваним рівнем помилок від 0.7% до 1.5%. Але завдяки ретельному дизайну коду ці помилки не об’єднуються в ще більший рівень помилок, коли операції заплутування використовувалися для підготовки логічного кубіта в початковому стані.
Команда помітила помилку в підготовці та вимірюванні кубіта лише в 0.6% випадків — менше, ніж найменша помилка, очікувана для будь-якої окремої операції заплутування. Тоді команда змогла перевести логічний кубіт у другий стан із похибкою лише 0.3%. Команда також навмисно додала помилки та продемонструвала, що може їх виявляти.
«Це дійсно демонстрація квантової корекції помилок, яка вперше покращує продуктивність базових компонентів», — каже Іган. «І немає жодних причин, чому інші платформи не можуть робити те саме, коли вони розширюються. Це справді доказ того, що квантова корекція помилок працює».
Оскільки команда продовжує цю роботу, вони кажуть, що вони сподіваються досягти аналогічного успіху в побудові ще складніших квантових логічних воріт зі своїх кубітів, виконуючи повні цикли виправлення помилок, де виявлені помилки активно виправляються, і об’єднуючи кілька логічних кубітів разом. .
«До цієї статті всі були зосереджені на створенні одного логічного кубіта», — каже Іган. «І тепер, коли ми зробили один, ми думаємо: «Один логічний кубіт працює, тож що можна зробити з двома?»
Довідка: «Відмовостійке керування кубітом з виправленням помилок» від Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina and Christopher Монро, 4 жовтня 2021 р. Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03928-y
