Samoopravitelné kvantové počítače: Bezchybné a odolné proti chybám

• Autor:
• jméno autora

  Quantumrun Foresight
• Února 14, 2023

Shrnutí statistik

Kvantové výpočty představují posun paradigmatu v počítačovém zpracování. Tyto systémy mají potenciál vyřešit složité výpočty během několika minut, které by klasickým počítačům zabraly roky, někdy i staletí. Prvním krokem k umožnění plného potenciálu kvantových technologií je však zajištění toho, že si mohou své výstupy sami opravit.

Samoopravující se kvantový výpočetní kontext

V roce 2019 dokázal čip Google Sycamore, obsahující 54 qubitů, provést výpočet za 200 sekund, což by normálně klasickému počítači trvalo 10,000 XNUMX let. Tento úspěch byl katalyzátorem kvantové nadvlády společnosti Google a získal celosvětové uznání jako významný průlom v oblasti kvantových počítačů. Následně to vyvolalo další výzkum a pokrok v této oblasti.

V roce 2021 udělal Sycamore další krok vpřed tím, že prokázal, že dokáže opravit výpočetní chyby. Samotný proces však později přinesl nové chyby. Obvyklým problémem v kvantových výpočtech je to, že přesnost jejich výpočtů stále chybí ve srovnání s klasickými systémy. 

Počítače, které k ukládání dat používají bity (binární číslice, které jsou nejmenší jednotkou počítačových dat) se dvěma možnými stavy (0 a 1), jsou standardně vybaveny opravou chyb. Když se bit stane 0 místo 1 nebo naopak, lze tento typ chyby zachytit a opravit.

Výzva v kvantovém počítání je složitější, protože každý kvantový bit nebo qubit existuje současně ve stavu 0 a 1. Pokud se pokusíte změřit jejich hodnotu, data budou ztracena. Dlouhodobým potenciálním řešením bylo seskupení mnoha fyzických qubitů do jednoho „logického qubitu“ (qubitů, které jsou řízeny kvantovými algoritmy). I když logické qubity existovaly již dříve, nebyly použity pro opravu chyb.

Rušivý dopad

Několik výzkumných institucí a laboratoří umělé inteligence studovalo, jak vytvořit logické qubity, které se mohou samy opravovat. Například Duke University a Joint Quantum Institute se sídlem v USA vytvořily logický qubit, který funguje jako jedna jednotka v roce 2021. Díky tomu, že je založen na kvantovém kódu opravy chyb, lze chyby snadněji odhalit a opravit. Kromě toho tým udělal qubit odolný proti chybám, aby obsahoval jakékoli negativní účinky uvedených chyb. Tento výsledek byl poprvé, kdy se logický qubit ukázal jako spolehlivější než jakýkoli jiný požadovaný krok při jeho vytváření.

Pomocí systému iontové pasti na univerzitě v Marylandu byl tým schopen ochladit až 32 jednotlivých atomů pomocí laserů před jejich zavěšením na elektrody na čipu. Manipulací s každým atomem pomocí laserů jej dokázali použít jako qubit. Výzkumníci prokázali, že inovativní návrhy mohou jeden den osvobodit kvantové výpočty od jejich současného stavu chyb. Logické qubity odolné vůči chybám mohou obejít nedostatky současných qubitů a mohly by být páteří spolehlivých kvantových počítačů pro aplikace v reálném světě.

Bez samoopravných nebo samoopravujících kvantových počítačů by nebylo možné vytvářet systémy umělé inteligence (AI), které by byly přesné, transparentní a etické. Tyto algoritmy vyžadují velké množství dat a výpočetního výkonu, aby naplnily svůj potenciál, včetně zajištění bezpečnosti autonomních vozidel a digitálních dvojčat, která mohou podporovat zařízení internetu věcí (IoT).

Důsledky samoopravných kvantových výpočtů

Širší důsledky investic do samoopravných kvantových počítačů mohou zahrnovat: 

• Vývoj kvantových systémů, které dokážou zpracovat větší objemy dat a zároveň zachytit chyby v reálném čase.
• Výzkumníci vyvíjející autonomní kvantové systémy, které se nejen mohou samy opravovat, ale také testovat.
• Zvýšené financování kvantového výzkumu a vývoje mikročipů na vytvoření počítačů, které dokážou zpracovat miliardy informací, ale vyžadují méně energie.
• Kvantové počítače, které mohou spolehlivě podporovat složitější procesy, včetně dopravních sítí a plně automatizovaných továren.
• Plná průmyslová aplikace kvantových počítačů ve všech sektorech. Tento scénář bude možný pouze tehdy, když si společnosti budou dostatečně důvěřovat v přesnost výstupů kvantových počítačů, aby mohly vést rozhodování nebo provozovat systémy s vysokou hodnotou.

Otázky k zamyšlení

• Jaké jsou další potenciální výhody stabilních kvantových počítačů?
• Jak mohou takové technologie ovlivnit vaši práci v budoucnu?