Novi sklop qubita omogućava kvantne operacije sa većom preciznošću
U budućnosti, kvantni računari možda će moći da rešavaju probleme koji su previše složeni za današnje najmoćnije superkompjutere.
Ovaj napredak približava kvantnu korekciju greške korak bliže stvarnosti
Da bi se ostvarila ova obećavajuća perspektiva, kvantne verzije kodova za korekciju grešaka moraju biti sposobne da ispravljaju računske greške brže nego što se dešavaju. Međutim, današnji kvantni računari još uvek nisu dovoljno robusni da bi ostvarili takvu korekciju greške u komercijalno relevantnim razmerama. Na putu ka prevazilaženju ovog problema, istraživači sa MIT-a su demonstrirali novu arhitekturu superprovodljivog qubita koja može obavljati operacije između qubita – osnovnih gradivnih blokova kvantnog računara – sa mnogo većom preciznošću nego što su naučnici do sada bili u mogućnosti da postignu. Oni koriste relativno novu vrstu superprovodljivog qubita, poznatog kao fluxonium, koji može imati životni vek znatno duži od uobičajenih superprovodljivih qubita koji se koriste.
Njihova arhitektura uključuje poseban element za povezivanje između dva fluxonium qubita koji im omogućava da izvode logičke operacije, poznate kao gate-ovi, na veoma precizan način. Ova arhitektura suzbija vrstu neželjenih pozadinskih interakcija koje mogu uneti greške u kvantne operacije. Ovaj pristup omogućio je dvokubitne gate-ove koji prelaze 99,9 posto preciznosti i jednobitne gate-ove sa 99,99 posto preciznosti. Pored toga, istraživači su implementirali ovu arhitekturu na čipu koristeći proširiv proces proizvodnje.
“Izgradnja kvantnog računara velike skale počinje sa robusnim qubitima i gate-ovima. Pokazali smo izuzetno obećavajući dvokubitni sistem i naveli njegove mnoge prednosti za skaliranje. Naš sledeći korak je povećanje broja qubita”, kaže Leon Ding, doktorant fizike na MIT-u i prvi autor rada o ovoj arhitekturi.
Nova interpretacija fluxonium qubita
Na klasičnom računaru, gate-ovi su logičke operacije koje se vrše nad bitovima (nizovima 1 i 0) koje omogućavaju računanje. Gate-ovi u kvantnom računarstvu mogu se razmatrati na isti način: Jednobitni gate je logička operacija nad jednim qubitom, dok je dvobitni gate operacija koja zavisi od stanja dva povezana qubita. Fidelitet meri tačnost kvantnih operacija koje se izvode na ovim gate-ovima. Gate-ovi sa najvišim mogućim fidelitetima su esencijalni, jer se kvantne greške akumuliraju eksponencijalno. Sa milijardama kvantnih operacija koje se dešavaju u sistemu velike skale, čini se da čak i mala greška može brzo dovesti do potpunog neuspeha sistema. U praksi, koristili bi se kodovi za korekciju grešaka da bi se postigli takvi niski nivoi grešaka. Međutim, postoji “prag fideliteta” koji operacije moraju da pređu da bi se primenili ovi kodovi. Dodatno, povećanje fideliteta daleko iznad ovog praga smanjuje potrebne dodatne resurse za primenu kodova za korekciju grešaka. Više od decenije istraživači su uglavnom koristili transmon qubite u svojim naporima da izgrade kvantne računare. Druga vrsta superprovodljivog qubita, poznata kao fluxonium qubit, nastala je relativno skoro. Fluxonium qubiti su pokazali da imaju duži vek trajanja, odnosno vreme koherencije, od transmon qubita koji su tradicionalno korišćeni.
Vreme koherencije je mera koliko dugo qubit može obavljati operacije ili pokretati algoritme pre nego što se izgubi sva informacija u qubitu.
“Što duže qubit živi, to su operacije koje obavlja tendencija da budu preciznije. Ova dva broja su povezana. Ali bilo je nejasno, čak i kada su fluxonium qubiti sami radili prilično dobro, da li možete izvesti dobre gate-ove na njima”, kaže Ding.
Prvi put su Ding i njegovi saradnici pronašli način da koriste ove duže životne qubite u arhitekturi koja može podržavati izuzetno robusne, visokofidelnostne gate-ove. U njihovoj arhitekturi, fluxonium qubiti su mogli postići vreme koherencije duže od milisekunde, oko 10 puta duže od tradicionalnih transmon qubita.
Fluxonium qubiti razvijeni su u bliskoj saradnji sa MIT Lincoln laboratorijom, koja ima stručnost u dizajnu i proizvodnji proširivih tehnologija superprovodljivih qubita.
Jača veza
Njihova nova arhitektura uključuje kolo koje ima dva fluxonium qubita sa obe strane, sa podesivim transmon koplerom u sredini koji ih povezuje. Ova fluxonium-transmon-fluxonium (FTF) arhitektura omogućava jače povezivanje nego metode koje direktno povezuju dva fluxonium qubita. FTF takođe minimizuje neželjene interakcije koje se dešavaju u pozadini tokom kvantnih operacija. Obično, jače veze između qubita mogu dovesti do više ove persistentne pozadinske buke, poznate kao statičke ZZ interakcije. Ali FTF arhitektura rešava ovaj problem. Mogućnost suzbijanja ovih neželjenih interakcija i duže vreme koherencije fluxonium qubita su dva faktora koja su omogućila istraživačima da pokažu fidelitet jednobitnih gate-ova od 99,99 posto i dvobitnih gate-ova od 99,9 posto. Ovi fideliteti gate-ova znatno premašuju prag potreban za određene uobičajene kodove za korekciju grešaka i trebali bi omogućiti detekciju grešaka u sistemima velike skale.
Na osnovu ovih rezultata, Ding, Sung, Kannan, Oliver i drugi nedavno su osnovali startap za kvantno računarstvo, Atlantic Quantum. Kompanija namerava da koristi fluxonium qubite za izgradnju održivog kvantnog računara za komercijalne i industrijske primene.
“Ovi rezultati se odmah mogu primeniti i mogu promeniti stanje celog polja. Ovo pokazuje zajednici da postoji alternativni put napred. Mi snažno verujemo da ova arhitektura, ili nešto slično njoj koristeći fluxonium qubite, pokazuje veliki potencijal za stvaranje korisnog, tolerantnog na greške kvantnog računara”, kaže Kannan.
Iako je takav računar verovatno još 10 godina daleko, ovo istraživanje je važan korak u pravom smeru, dodaje on. Sledeći korak za istraživače je da pokažu prednosti FTF arhitekture u sistemima sa više od dva povezana qubita.
Izvor: News.mit
