Μια νέα προσέγγιση στη διόρθωση σφαλμάτων υπόσχεται να φέρει επανάσταση στην κβαντική πληροφορική, σύμφωνα με όσα ανακοίνωσε η Microsoft, η οποία παρουσίασε έναν καινοτόμο τύπο «τετραδιάστατων κωδικών» (4D) που μειώνουν δραστικά τα ποσοστά σφάλματος. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτή η τεχνολογία μπορεί να μειώσει τα σφάλματα έως και 1.000 φορές, ανοίγοντας τον δρόμο για πιο αξιόπιστους και πρακτικά εφαρμόσιμους κβαντικούς υπολογιστές.
Η ανακοίνωση έγινε μέσα από επίσημη ανάρτηση στο ιστολόγιο της Microsoft στις 19 Ιουνίου, ενώ στις 18 Ιουνίου, οι τεχνικές λεπτομέρειες του project κατατέθηκαν στη βάση προδημοσιεύσεων arXiv. Το επίκεντρο της καινοτομίας είναι η ανάπτυξη ενός τετραδιάστατου γεωμετρικού κώδικα, ο οποίος σχεδιάστηκε έτσι ώστε να εντοπίζει και να διορθώνει σφάλματα χωρίς να επηρεάζει την ίδια την κβαντική επεξεργασία.
Η διόρθωση σφαλμάτων αποτελεί διαχρονικά ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για την αξιοποίηση της κβαντικής πληροφορικής σε πρακτικό επίπεδο. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υπολογιστές, όπου η διόρθωση σφαλμάτων γίνεται με την αντιγραφή των bits, στην κβαντική τεχνολογία κάτι τέτοιο δεν είναι εφικτό. Τα qubits δεν μπορούν να αντιγραφούν και η παρατήρησή τους οδηγεί στην κατάρρευση της κβαντικής τους κατάστασης, γεγονός που δυσχεραίνει τον εντοπισμό και τη διόρθωση λαθών.
Η παραδοσιακή λύση βασίζεται στην προσθήκη φυσικών qubits στο σύστημα, τα οποία είναι εμπλεγμένα με τα λογικά qubits που φέρουν την κβαντική πληροφορία. Έτσι, μέσω της μέτρησης αυτών των εμπλεγμένων qubits —και όχι των ίδιων των λογικών— είναι δυνατή η ανίχνευση σφαλμάτων χωρίς να διακόπτεται η υπολογιστική διαδικασία.
Εδώ έρχεται η καινοτομία της Microsoft, η οποία σύμφωνα με την Krysta Svore, τεχνική σύμβουλο της Microsoft Quantum, κατάφερε να σχεδιάσει κώδικες που απαιτούν λιγότερους φυσικούς πόρους, μπορούν να εντοπίσουν σφάλματα με μία και μόνο μέτρηση, και μειώνουν το ποσοστό σφαλμάτων έως και χίλιες φορές. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας ειδικής τετραδιάστατης γεωμετρικής προσέγγισης που “στρίβει” την κλασική μορφή του τοροειδούς κώδικα, βελτιώνοντας τη χρήση του διαθέσιμου χώρου χωρίς να αυξάνεται η πολυπλοκότητα της εμπλοκής των qubits.
Η νέα αυτή «στριμμένη» γεωμετρία επιτρέπει τη δημιουργία ενός μεγαλύτερου αντιπροσωπευτικού χώρου, που αντικατοπτρίζει καλύτερα την κβαντική κατάσταση των qubits στο σύστημα. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να εντοπίζουν τα σφάλματα στον κώδικα χωρίς να παρεμβαίνουν ενεργά στις ίδιες τις κβαντικές διεργασίες, κάτι που μέχρι σήμερα ήταν εξαιρετικά δύσκολο.
Το πιο εντυπωσιακό είναι ότι οι επιστήμονες της Microsoft δεν περιορίστηκαν στη θεωρία. Δοκίμασαν την τεχνολογία σε υπάρχοντα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα και, σε δεύτερη δημοσίευση που αναρτήθηκε στις 13 Ιουνίου επίσης στο arXiv, παρουσίασαν τα πρώτα πειραματικά αποτελέσματα, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης τους.
Πέρα από την καινοτόμα γεωμετρική θεμελίωση του 4D κώδικα, οι ερευνητές παρουσίασαν και μια νέα τεχνική αντικατάστασης ατόμων που χάνονται κατά τη διάρκεια των υπολογισμών. Σε ορισμένα κβαντικά συστήματα, τα qubits συγκρατούνται στη θέση τους με lasers. Αν αυτά τα άτομα χαθούν ή μετατοπιστούν, η υπολογιστική διαδικασία μπορεί να διακοπεί. Η νέα προσέγγιση προβλέπει την αντικατάσταση των χαμένων ατόμων με δέσμες ατόμων που εισάγονται χωρίς να επηρεάζεται η εξέλιξη του υπολογισμού, ένα επίτευγμα που χαρακτηρίστηκε πρωτοφανές.
Η πρόταση της Microsoft αποκτά ιδιαίτερη σημασία καθώς έρχεται μόλις λίγες ημέρες μετά την ανακοίνωση της IBM, στις 10 Ιουνίου, ότι και εκείνη έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στη διόρθωση σφαλμάτων. Ωστόσο, οι δύο προσεγγίσεις διαφέρουν ριζικά. Η IBM ακολουθεί μια προσέγγιση “από πάνω προς τα κάτω“, εστιάζοντας στο λογισμικό σε συνδυασμό με εξειδικευμένο υλικό. Η Microsoft, αντίθετα, εργάζεται “από τη βάση προς την κορυφή“, προσπαθώντας να λύσει το ζήτημα της ανοχής στα σφάλματα με τρόπο που μπορεί να εφαρμοστεί ευρύτερα και πέρα από συγκεκριμένες υποδομές.
[via]
