Квантовий процесор переходить від хаосу до порядку завдяки повторним перевіркам
Дослідники зі Сполучених Штатів показали на 156-кубітному процесорі IBM Quantum Heron, що повторні перевірки та скидання можуть узяти хаос під контроль, і цей механізм необхідний для відмовостійких квантових комп'ютерів. Дослідження, опубліковане в Nature Physics, частково демонструє, як могла б працювати корекція помилок у реальному часі. Відмовостійкість означає виявлення та виправлення помилок, поки комп'ютер ще виконує свої обчислення.
Чому важлива корекція помилок
Сучасні квантові комп'ютери — це невеликі, обмежені прототипи. Кубіти, базові одиниці квантових комп'ютерів, можуть бути 1, 0 або будь-чим між ними (суперпозицією), доки їх не виміряно. Саме звідси береться експоненціальний приріст обчислювальної потужності. Але кубіти також дуже тендітні й легко порушуються теплом чи рухом, тому корекція помилок така важлива.
«Щоб побудувати відмовостійкий квантовий комп'ютер, ми маємо виконувати ці перевірки й корекції не раз чи двічі, а величезну кількість разів під час обчислення», — каже фізик Джедедайя Пікслі з Університету Раттерса. «Цей експеримент — віха на цьому шляху».
Перемішування проти контролю
Команда використала двоетапну систему, створену, щоб і вносити хаос, і потім його виправляти. Вони з'єднали до 100 кубітів одночасно й задали два чергових завдання: перемішування (scrambling), яке поширює хаос по системі, і контроль, який скидає кубіти там, де потрібно.
«Завдання полягало не просто в тому, щоб виміряти кубіт, а в тому, щоб робити це багаторазово, поки решта процесора продовжує працювати», — каже фізикиня IBM Майка Такіта. «Цей експеримент показує, що сучасне обладнання здатне координувати квантові операції, вимірювання та скидання тисячі разів у великій системі».
Різка точка перелому
Дослідники змінювали баланс між перемішуванням і скиданням. Упродовж майже 5000 операцій з кубітами та майже 5000 перевірок і скидань порядок повертався, коли перевірки та скидання становили понад половину всіх операцій. Із додаванням кубітів точка перелому ставала чіткішою в даних, що є свідченням справжнього квантового фазового переходу, подібного до того, як вода перетворюється на лід усім об'ємом одразу.
«Збіг між експериментом і теорією показав, що це не випадкова риса невеликого кола. Це була колективна поведінка, що виникає в усій квантовій системі», — каже Хайнін Пан з Університету Флориди. Джастін Вілсон з Університету штату Луїзіана додає: «Не було очевидно, що цей перехід між хаосом і контролем збережеться в квантовій фізиці, але наші результати показують, що так».
Автори зазначають, що схему перевірок і скидань доведеться масштабувати зі складнішими правилами, щоб вона була корисною в реальних квантових обчисленнях. Поки що вона слугує стрес-тестом для петель зворотного зв'язку, які підтримують упорядковану роботу квантових систем. Більше читайте в нашому розділі технології.