Ερευνητές του Πανεπιστημίου Chalmers στη Σουηδία ανέπτυξαν μια θεωρητική μέθοδο για την εκτέλεση εξαιρετικά πολύπλοκων κβαντικών λειτουργιών έως και 1.000 φορές ταχύτερα από τα σημερινά πρότυπα. Η προσέγγιση βασίζεται σε μποζονικούς κβαντικούς κώδικες και στοχεύει να περιορίσει τον χρόνο κατά τον οποίο οι κβαντικές πληροφορίες εκτίθενται σε εξωτερικές παρεμβολές.
Οι κβαντικοί υπολογιστές προορίζονται για προβλήματα που απαιτούν πολύ μεγάλη επεξεργαστική ισχύ, με εφαρμογές στην ανακάλυψη φαρμάκων, τη βελτιστοποίηση ενεργειακών δικτύων, την κρυπτογραφία και την τεχνητή νοημοσύνη. Για την αξιοποίηση αυτής της δυνατότητας, όμως, τα συστήματα πρέπει να λειτουργούν με συνέπεια και αξιοπιστία σε πραγματικές, μη ιδανικές εργαστηριακές συνθήκες.
Βασικό εμπόδιο για την κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών είναι τα υπολογιστικά σφάλματα. Τα qubits είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε εξωτερικούς παράγοντες, όπως ο ηλεκτρικός θόρυβος, η κοσμική ακτινοβολία και μικρές αυξήσεις της θερμοκρασίας στον πυρήνα του συστήματος. Ακόμη και μια περιορισμένη περιβαλλοντική διαταραχή μπορεί να μεταβάλει την κβαντική κατάσταση και να καταστρέψει την αποθηκευμένη πληροφορία.
Αποθήκευση σε πεδία μικροκυμάτων
Στους συμβατικούς υπολογιστές, οι τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων εντοπίζουν και αποκαθιστούν αλλοιώσεις στα δεδομένα. Στην κβαντική πληροφορική, η διαδικασία είναι πιο σύνθετη: κάθε πρόσθετο βήμα αυξάνει την πιθανότητα απώλειας της κβαντικής συνοχής.
Οι μποζονικοί κβαντικοί κώδικες δεν αποθηκεύουν την πληροφορία σε μεμονωμένα qubits. Την κωδικοποιούν στα πεδία μικροκυμάτων που αναπτύσσονται στο εσωτερικό υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, προσφέροντας ισχυρότερη προστασία από συγκεκριμένες κατηγορίες σφαλμάτων.
Μέχρι σήμερα, ο έλεγχος αυτών των μποζονικών καταστάσεων απαιτούσε χιλιάδες επαναλαμβανόμενους κύκλους καθοδήγησης. Οι Lei Du και Tangyou Huang προτείνουν μια διαφορετική μέθοδο, η οποία παρακάμπτει τη σταδιακή δημιουργία των κβαντικών καταστάσεων με τη χρήση κβαντικών πυλών πλέγματος. Οι πύλες αυτές επιτρέπουν την εκτέλεση εντολών σε έναν μόνο κύκλο.
Ο Tangyou Huang παρομοιάζει τη διαδικασία με την κατασκευή ενός κάστρου από τουβλάκια LEGO: αντί να τοποθετείται κάθε κομμάτι ξεχωριστά, με κίνδυνο λάθους σε κάθε στάδιο, ενώνονται αμέσως προσυναρμολογημένα τμήματα.
Έλεγχος Floquet σε έναν χρονικό κύκλο
Η τεχνική ελέγχου Floquet καθοδηγεί παραδοσιακά ένα κβαντικό σύστημα με περιοδικά σήματα, απαιτώντας την ολοκλήρωση πολλών αργών διαδικασιών για την παραγωγή του επιθυμητού αποτελέσματος. Η ομάδα του Πανεπιστημίου Chalmers συμπίεσε αυτές τις διακριτές φάσεις σε έναν χρονικό κύκλο, μετατρέποντας την επιθυμητή λειτουργία σε εξατομικευμένη ακολουθία παλμών ελέγχου.
Οι παλμοί κατευθύνουν το σύστημα προς την τελική κατάσταση πριν ο εξωτερικός θόρυβος επηρεάσει την κβαντική συνοχή του. Η προσέγγιση αντιστοιχεί σε μείωση του χρόνου απόκρισης κατά 1.000 φορές και περιορίζει τον κίνδυνο καταστροφής των πληροφοριών πριν ολοκληρωθεί μια υπολογιστική διαδικασία.
Οι κβαντικές πύλες πλέγματος προορίζονται κυρίως για υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές, μια από τις επικρατέστερες τεχνολογικές πλατφόρμες του κλάδου. Το Πανεπιστήμιο Chalmers αναπτύσσει κβαντικό υπολογιστή 100-qubit με υπεραγώγιμη αρχιτεκτονική και η ερευνητική ομάδα συζητά την άμεση πειραματική εφαρμογή της τεχνικής στο συγκεκριμένο hardware.
Μια επιτυχημένη εργαστηριακή επίδειξη θα επιλύσει ένα από τα σημαντικά κατασκευαστικά εμπόδια του κλάδου, ανοίγοντας τον δρόμο για αξιόπιστους κβαντικούς υπολογιστές που θα διαχειρίζονται αποτελεσματικά τα σφάλματα χωρίς να επιβραδύνουν την εκτέλεση των αλγορίθμων τους.
Πηγή: Techgear