Η κούρσα για την κατασκευή λειτουργικών κβαντικών υπολογιστών έχει ως μεγαλύτερο εμπόδιο τα σφάλματα που εμφανίζονται συνεχώς στα qubits, τις στοιχειώδεις μονάδες πληροφορίας του κβαντικού κόσμου. Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα, οι επιστήμονες κωδικοποιούν τα qubits με τέτοιον τρόπο ώστε να καταστέλλουν τα λάθη, επιτρέποντας σε λίγα από αυτά να λειτουργούν αποδοτικά. Όμως, όσο περισσότερα λογικά qubits χρειάζονται, τόσο εκτοξεύεται ο αριθμός των φυσικών qubits που απαιτούνται, οδηγώντας σε έναν πραγματικό εφιάλτη μηχανικής κλίμακας.
Μια ερευνητική ομάδα στο University of Sydney φαίνεται πως βρήκε έναν δρόμο για να μειώσει δραματικά αυτήν την αναλογία. Στο Quantum Control Laboratory του Sydney Nano Institute, οι επιστήμονες δημιούργησαν για πρώτη φορά μια κβαντική λογική πύλη που απαιτεί πολύ λιγότερα φυσικά qubits, αξιοποιώντας έναν ισχυρό κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων γνωστό ως Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP).
Η προσέγγισή τους βασίστηκε σε κάτι που μέχρι τώρα υπήρχε μόνο στη θεωρία: την αποθήκευση και τον χειρισμό GKP κωδίκων μέσα στις φυσικές δονήσεις ενός παγιδευμένου ιόντος – ενός φορτισμένου ατόμου υττερβίου. Ουσιαστικά, εκμεταλλεύτηκαν τις κβαντικές ταλαντώσεις ενός και μόνο ατόμου, καταφέρνοντας να αποθηκεύσουν και να μπλέξουν μεταξύ τους λογικά qubits, δημιουργώντας μια λειτουργική πύλη.
Ο Dr Tingrei Tan, Sydney Horizon Fellow και επικεφαλής της έρευνας, δήλωσε ότι για πρώτη φορά κατέστη δυνατό να παρουσιαστεί ένα πλήρες σύνολο καθολικών λογικών πυλών για GKP qubits.
Ελέγχοντας με εξαιρετική ακρίβεια τις φυσικές δονήσεις του παγιδευμένου ιόντος, μπορέσαμε είτε να χειριστούμε μεμονωμένα qubits είτε να τα εμπλέξουμε μεταξύ τους.
Η λογική πύλη αποτελεί το θεμέλιο της πληροφορικής. Στους κλασικούς υπολογιστές είναι οι διακόπτες που επιτρέπουν την εκτέλεση λογικών πράξεων. Στους κβαντικούς, οι λογικές πύλες βασίζονται στην εμπλοκή qubits και δημιουργούν ένα εντελώς διαφορετικό λειτουργικό πλαίσιο, ανοίγοντας τον δρόμο για ταχύτητες και δυνατότητες που υπερβαίνουν κατά πολύ τα συμβατικά συστήματα.
Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, ο υποψήφιος διδάκτορας Βασίλης Μάτσος, περιέγραψε το πείραμα: «Αποθηκεύσαμε δύο λογικά qubits που μπορούν να διορθώνουν σφάλματα μέσα σε ένα και μόνο παγιδευμένο ιόν και δείξαμε ότι μπορούμε να τα εμπλέξουμε». Για να το πετύχουν, χρησιμοποίησαν λογισμικό κβαντικού ελέγχου της εταιρείας Q-CTRL, μια startup που προέκυψε από το ίδιο εργαστήριο. Το λογισμικό αυτό σχεδιάστηκε για να περιορίζει τις παραμορφώσεις των GKP qubits και να διατηρεί την εύθραυστη δομή τους, επιτρέποντας την επεξεργασία της πληροφορίας χωρίς απώλειες.
Η επίτευξη αυτή θεωρείται ορόσημο, καθώς μειώνει δραστικά τις απαιτήσεις σε κβαντικό υλικό για τη δημιουργία τέτοιων πυλών. Με άλλα λόγια, όπου μέχρι τώρα απαιτούνταν τεράστιες ποσότητες φυσικών qubits για να σχηματιστεί ένα αξιόπιστο λογικό qubit, πλέον υπάρχει η δυνατότητα να αποθηκευτούν και να ελεγχθούν μέσα σε ένα μόνο άτομο.
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με ένα παγιδευμένο ιόν υττερβίου μέσα σε μια λεγόμενη παγίδα Paul. Το ιόν κρατήθηκε σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου με τη βοήθεια πολύπλοκων ακτίνων λέιζερ, οι οποίες έδωσαν στους ερευνητές τη δυνατότητα να ελέγχουν τις φυσικές του ταλαντώσεις και να δημιουργήσουν έτσι τους πολύπλοκους GKP κώδικες.
Η σημασία της ανακάλυψης είναι διπλή. Από τη μία, δείχνει ότι είναι εφικτό να κατασκευαστούν κβαντικές λογικές πύλες με πολύ μικρότερες απαιτήσεις σε υλικό, γεγονός που καθιστά τα μελλοντικά κβαντικά υπολογιστικά συστήματα πιο αποδοτικά και πιο κοντά στην πραγματικότητα. Από την άλλη, ανοίγει τον δρόμο για μεγαλύτερη κλίμακα, καθώς οι ερευνητές απέδειξαν ότι μπορούν να ελέγχουν όχι μόνο ένα λογικό qubit αλλά και να υλοποιούν καθολικές πύλες με αυτά.
Ο Dr Tan τόνισε ότι οι GKP κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων υποσχέθηκαν εδώ και χρόνια τη μείωση του απαιτούμενου υλικού για την κλιμάκωση των κβαντικών υπολογιστών, όμως μέχρι τώρα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να ελεγχθούν.
Με τα πειράματά μας δείξαμε ότι οι υψηλής ποιότητας τεχνικές ελέγχου μας δίνουν τα εργαλεία για να χειριστούμε περισσότερα από ένα λογικά qubits. Έτσι, θέτουμε τις βάσεις για μια κλίμακα μεγάλης κλίμακας στην κβαντική επεξεργασία πληροφορίας με αποδοτικότερο υλικό.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics στις 21 Αυγούστου, αποτελεί απόδειξη ότι η πρακτική εφαρμογή των GKP κωδίκων είναι εφικτή. Μπορεί να πρόκειται για μια ακόμη μικρή νίκη σε μια μακρά μάχη, αλλά είναι το είδος της προόδου που φέρνει τους κβαντικούς υπολογιστές ένα βήμα πιο κοντά στη μαζική τους υλοποίηση.
[via]
