Primul dispozitiv cuantic care-şi detectează şi corectează erorile

Atunci când oamenii de ştiinţă vor reuşi să construiască calculatoare cuantice care vor funcţiona la capacitate şi performanţe maxime, tehnica de calcul va suferi o revoluţie în ceea ce rafinamentul, viteza de prelucrare a informaţiilor şi eficienţa energetică. Prin comparaţie, actualele computere ne vor părea ca din epoca de piatră.

Credit: CybherHades – Flickr CC

Înainte ca aceste lucruri să se întâmple, fizicienii trebuie să creeze circuite care valorifică puterea de calcul datorată biţilor cuantici („qubiţi”), în timp ce trebuie să asigure protecţia acestora contra erorilor induse de mediul înconjurător.

Un reper important în acest sens îl reprezintă faptul că cercetătorii din cadrul Martinis Lab al University of California, Santa Barbara au dezvoltat circuite cuantice care-şi detectează şi elimină propriile erori, păstrând stabilă starea qubiţilor. Această calitate asigură sistemului cuantic o fiabilitate care se poate dovedi fundamentală pentru construirea pe scară largă a calculatoarelor cuantice superconductoare.

Eliminarea erorilor la nivelul qubiţilor sau menţinerea unei stări cuantice stabile a acestora, reprezintă unul dintre obstacolele majore pe care oamenii de ştiinţă trebuie să le depăşească pentru a putea realiza operaţiile aferente calculului cuantic.

„Una dintre cele mai mari provocări din calculul cuantic o reprezintă faptul că qubiţii sunt în mod inerent imperfecţi”, a declarat Julian Kelly, cercetător şi coautor al unui studiu care a fost publicat în revista Nature. „În consecinţă, atunci când doriţi să stocați anumite informaţii în qubiţi, aceştia nu le păstrează în timp”.

Spre deosebire de calculul clasic, în care biţii unui calculator există sub o formă binară („1/0″, „da/nu” sau „adevărat/fals”), qubiţii se pot afla într-o superpoziţie de stări cuantice. Datorită acestei proprietăţi, computerele cuantice au o putere fenomenală de calcul, dar tot aceasta este cea care le conferă qubiţilor un caracter instabil. Prin interacţiunea cu mediul înconjurător, starea cuantică a qubiţilor se poate modifica necontrolat (N.t. proprietate denumită decoerenţă cuantică).

„Este greu să prelucrăm informaţiile cuantice dacă acestea dispar”, a declarat Kelly.

Cu toate acestea, este posibil ca acest obstacol să fi fost depăşit de către Kelly, Rami Barends, cercetător postdoctoral, Austin Fowler şi alţi cercetători din cadrul Martinis Group.

Corecţia erorilor implică crearea unui sistem în care mai multe qubiţi lucrează împreună pentru a păstra integritatea informaţiilor, a declarat Kelly. Pentru aceasta, informaţiile sunt stocate în mai mulţi qubiţi.

„Ideea este că am construit acest sistem format din nouă qubiţi care poate verifica apariţia erorilor”, a spus el. Qubiţii din grilă sunt responsabili pentru protejarea informațiilor ce sunt memorate de vecinii lor, a explicat el, în cadrul unui sistem de detectare a erorilor și de corectare repetitivă a acestora. În acest fel informaţia poate fi protejată şi menţinută mai mult timp față de cazul unui qubit individual.

„Este pentru prima dată când s-a reuşit construirea unui dispozitiv cuantic care este capabil să-şi corecteze propriile erori”, a spus Fowler. Pentru realizarea unor calcule complexe, cercetătorii estimează că un computer cuantic ar avea nevoie de până la o sută de milioane de qubiţi, dar înainte de aceasta este necesar să se realizeze un sistem sigur de autocontrol şi de prevenire a erorilor.

Cheia pentru realizarea acestui sistem de corecţie şi de detectare a erorilor cuantice o reprezintă o schemă dezvoltată de Fowler, denumită cod de suprafață. Acesta folosește informațiile de paritate – o măsură a schimbărilor din datele originale (dacă au loc) – opusă duplicării informațiilor originale, care este o parte a procesului de detectare a erorilor din calculul clasic. În acest fel, informațiile originale care sunt păstrate în qubiţi rămân neobservate.

De ce? Din cauza fizicii cuantice.

„Nu puteţi măsura o stare cuantică şi în acelaşi timp să vă aşteptaţi ca aceasta să rămână în continuare cuantică”, a explicat Barends. În urma procesului de măsurare, qubitul va avea o stare unică şi nu se va mai afla într-o stare de superpoziţie cuantică, a spus el. Prin urmare, valorile de paritate ale qubiţilor de date dintr-o matrice de qubiţi sunt preluate de qubiţii adiacenţi care sunt măsuraţi, aceştia evaluând, în esenţă, informaţiile din qubiţii de date prin măsurătorile efectuate în jurul lor.

„Practic extrageţi o cantitate suficientă de informaţii pentru a detecta erorile, dar fără a distruge starea cuantică a sistemului”, a declarat Kelly.

Această aplicaţie reprezintă un progres important în ceea ce priveşte stabilizarea stării qubiţilor şi realizarea algoritmilor ce stau la baza logicii din spatele calculului cuantic.

„Este un reper major”, a spus Barends. „Am dovedit că ideile pe care oamenii le-au avut timp de zeci de ani sunt realizabile într-un sistem real”.

Martinis Group continuă dezvoltarea acestui nou instrument de mare importanţă. S-a dovedit că acesta protejează informaţia cuantică împotriva erorilor, dar cercetătorii doresc să urmărească şi comportarea în timp a acestuia.

Această cercetare a fost efectuată ca urmare a unui parteneriat dintre Martinis Group şi Google.

Traducere şi adaptare după First-Ever Quantum Device That Detects and Corrects Its Own Errors