Пре само неколико година, многи истраживачи у квантном рачунарству мислили су да ће бити потребно неколико деценија да се развију машине које би могле да решавају сложене задатке, као што је предвиђање како хемикалије реагују или разбијање шифрованог текста. Али сада расте нада да би такве машине могле да стигну у наредних десет година.
ИБМ је објавио први квантни чип од 1.000 кубита
„Промена вибрације“ је како Натали де Леон, експериментални квантни физичар са Универзитета Принстон у Њу Џерсију, описује промену. „Људи сада почињу да се привлаче.“
Темпо напретка у овој области је драматично порастао, посебно у последње две године или тако нешто, на неколико фронтова. Тимови у академским лабораторијама, као и компаније које се крећу од малих почетника до великих технолошких корпорација, драстично су смањили величину грешака које озлоглашени нестални квантни уређаји имају тенденцију да произведу, побољшавајући и производњу квантних уређаја и технике које се користе за њихову контролу. У међувремену, теоретичари боље разумеју како да ефикасније користе квантне уређаје.
„У овом тренутку, много сам сигурнији да ће квантно рачунање бити реализовано и да је временски оквир много краћи него што су људи мислили“, каже Дорит Ахаронов, компјутерски научник са Хебрејског универзитета у Јерусалиму. „Ушли смо у нову еру.“
Склон грешкама
Најновија достигнућа су узбудљива за физичаре јер се баве неким од главних уских грла која спречавају развој одрживих квантних рачунара. Ови уређаји функционишу тако што кодирају информације у кубитима, који су јединице информација које могу попримити не само вредности 0 или 1, као што су битови у класичном рачунару, већ и континуум могућности између. Прототипни пример је квантни спин електрона, који је квантни аналог магнетне игле и може бити оријентисан у било ком правцу у простору.
Чао-Јанг Лу је међу онима који очекују квантни рачунар отпоран на грешке до 2035. године.Кредит: Даве Тацон за Природа
Срце типичног квантног прорачуна састоји се од низа капија, које су операције које манипулишу стањем кубита. Гејтови се могу извести на једном кубиту, на пример ротирање спина за одређени угао, или на више од једног кубита. Оно што је најважније, капија може ставити више кубита у колективно заплетена или снажно повезана стања – експоненцијално повећавајући количину информација са којима могу да рукују. Свако израчунавање се затим завршава мерењем, које издваја информације из кубита, уништава замршено квантно стање које производе капије и враћа одговор у облику низа обичних дигиталних битова.
Деценијама су истраживачи доводили у питање одрживост ове рачунске парадигме због два главна разлога. Један је да, у пракси, квантна стања имају тенденцију да природно и насумично померају, а након одређеног времена, информације које чувају се неизбежно губе. Други је да капије и мерења сами по себи могу донети грешке. Чак и једноставне операције као што је коришћење електромагнетних импулса за ротацију обртаја никада не раде тачно онако како је предвиђено.
Али током последњих годину дана, четири тима су показала да су ови проблеми на крају решиви, кажу Ахаронов и други. Ове групе потичу из лабораторије Гоогле Куантум АИ у Санта Барбари, Калифорнија1; Куантинуум, компанија у Брумфилду, Колорадо2; и Универзитет Харвард и старт-уп компанија КуЕра3оба у области Бостона, Масачусетс. Тек прошлог децембра, четврти тим, са Универзитета науке и технологије Кине (УСТЦ) у Хефеију, такође се придружио овом ексклузивном клубу4.
Четири групе су имплементирале — и побољшале — технику која се зове квантна корекција грешке, у којој се једна јединица квантне информације, или „логички“ кубит, распоређује на неколико „физичких“ кубита.
Ова компанија вредна милијарду долара планира да направи џиновске квантне рачунаре од светлости. Може ли успети?
У раду тимова Гугла и УСТЦ, квантне информације су кодиране у колективном стању електрона који круже унутар петље од суправодљивог материјала, држећи се на бркови изнад апсолутне нуле како би се спречило деградирање информација. Квантинум користи магнетно поравнање електрона у појединачним јонима у електромагнетној замци. А КуЕра-ини кубити су представљени поравнањем појединачних неутралних атома ограничених сноповима светлости који делују као ‘оптичка пинцета’. Мерењем специфичних физичких кубита на половини рачунања, машина тада може открити да ли су информације у логичком кубиту деградиране и затим применити исправку.
Као и свака операција на кубитима, сама исправка уноси грешке. Током 1990-их, Ахаронов и други су математички доказали да, ако се више пута примењује, процес може смањити грешке колико год се жели. Али резултат је дошао са кваком: сваки од корака у исправљању грешака мора да смањи грешку испод одређеног прага.
Четири тима су сада показала да њихови прорачуни могу да задовоље тај захтев. Многим физичарима је овај преломни тренутак показао да квантно рачунарство великих размера, ‘толерантно на грешке’, може бити одрживо.
Деветке доста
Чак и када функционише, квантна корекција грешака није панацеја. Научници су дуго времена процењивали да би његово коришћење за покретање квантног алгоритма који је потпуно толерантно на грешке захтевало додатне трошкове од 1.000:1, или најмање 1.000 физичких кубита за сваки логички кубит. Највећи до сада изграђени квантни рачунари имају само неколико хиљада кубита – али ране процене су сугерисале да би милијарде могле бити потребне за ствари као што је растављање простих бројева.
Андрев Хоуцк (на слици), Натхалие де Леон и њихове колеге са Универзитета Принцетон развили су технологију која би квантно рачунање могла учинити прецизнијим.Заслуге: Матт Распанти / Универзитет Принцетон
Овај задатак је већ дуго био мерило јер би квантни рачунари који могу да развргну велике бројеве у просте бројеве били довољно моћни да реше проблеме који су се раније могли решити, као што је предвиђање својстава нових ‘чудесних материјала’ или стварање суперефикасне трговине акцијама.
Једна ствар која је помогла у постизању ових циљева је имплементација алгоритама на паметан начин, користећи мање кубита и капија. Ово је смањило процене броја физичких кубита који би били потребни да се фактори велики бројеви — што би разбило уобичајени систем шифровања на Интернету — за отприлике ред величине сваких пет година. Прошле године, Гоогле истраживач Цраиг Гиднеи показао је да може смањити број кубита са 20 милиона на милион5делимично сређивањем апстрактних дијаграма капија у сложене 3Д обрасце. („Користим доста геометријске интуиције“, каже он.) Гидни каже да је његова примена вероватно близу најбоље могуће перформансе стандардне технике исправљања квантних грешака. Међутим, бољи би могли додатно смањити трошкове, додаје он.
„КПИ-јеви“ квантног рачунарства могли би разликовати истинска открића од лажних тврдњи
„Цело име игре тренутно је како можете да учините исправљање грешака ефикаснијим“, каже де Леон — и постоји неколико могућих приступа. Теоретичари могу помоћи тако што ће развити технике исправљања грешака које ефикасније кодирају информације логичког кубита, што захтева мање физичких кубита. А побољшање ‘верности’, или тачности, операција капије и квалитета физичких кубита значи да ће бити потребно мање корака за исправљање грешака, чиме се смањује неопходан број физичких кубита. Јенс Ајзерт, физичар са Слободног универзитета у Берлину, каже да би се „изненадио“ ако се трошкови физичког кубита не би додатно смањили у наредних неколико година.
„Мислим да је, математички, теорија квантне корекције грешака све богатија и занимљивија. Дошло је до огромне експлозије радова“, каже Барбара Терхал, теоријски физичар у КуТецх-у, институту за истраживање квантне технологије, који подржава холандска влада, на Технолошком универзитету Делфт у Холандији. Она, међутим, упозорава да сложени кодови за исправљање грешака могу имати недостатке јер отежавају извођење капија.
Једна таква техника, коју је усавршио ИБМ, обећава да ће кодирати логичке кубите користећи једну десетину броја физичких кубита као индустријски стандардне приступе, или прекомерне трошкове од отприлике 100:1. КуЕра експериментише са методама које се ослањају на велику снагу његових кубита ‘неутралног атома’: флексибилност која се може померати да би се по вољи заплитала један са другим. Њихов приступ исправљању грешака, такође, могао би у принципу да смањи трошкове на 100:1, каже оснивач Куера Михаил Лукин, физичар са Харварда. Да би тамо стигао, Лукин рачуна да ће верност његових двокубитних капија, која тренутно лебди на 99,5%, морати да порасте на око 99,9%, што је, како каже, изводљиво. „На добром смо путу ка ‘три деветке’,” каже он, користећи израз у индустрији.
Де Леон се, у међувремену, фокусирао на проучавање слабости кубита користећи напредне технике у метрологији, науци о прецизним мерењима. Историјски гледано, главни недостатак суправодљивих кубита је био њихов кратак животни век, што узрокује деградацију ускладиштених информација чак и када алгоритам манипулише физички удаљеним кубитима на истом чипу. „Кубити помало умиру док чекају да отворите капију“, каже де Леон. Она и њени сарадници спровели су ултра-прецизна мерења суперпроводних кубита како би изоловали изворе електромагнетне буке који им ограничавају животни век. Затим су покушали да пређу са суперпроводних петљи направљених од алуминијума на оне од тантала, а потпорног материјала са сафира на изолациони силицијум. Заједно, промене су продужиле животни век са 0,1 милисекунде на 1,68 милисекунди, описали су аутори у Природа новине у новембру6. Она каже да има простора за даље унапређење. „Постоје очигледне ствари које треба покушати, где верујем да можемо доћи до 10 или 15 милисекунди“, каже де Леон, иако такође упозорава да се често, након уклањања једног извора буке, увуче још један неочекивани.
