Kvantna računala koja se sama popravljaju: bez grešaka i tolerantna na pogreške

• Autor:
• ime autora

  Quantumrun Foresight
• Veljače 14, 2023

Sažetak uvida

Kvantno računalstvo predstavlja promjenu paradigme u računalnoj obradi. Ovi sustavi imaju potencijal riješiti složene izračune u nekoliko minuta za što bi klasičnim računalima trebale godine, ponekad i stoljeća. Međutim, prvi korak u omogućavanju punog potencijala kvantnih tehnologija jest osigurati da one mogu same popravljati svoje rezultate.

Kontekst kvantnog računalstva koji se sam popravlja

U 2019. čip Google Sycamore, koji sadrži 54 qubita, uspio je izvesti izračun u 200 sekundi za koji bi klasičnom računalu obično trebalo 10,000 godina. Ovo postignuće bilo je katalizator Googleove kvantne nadmoći, dobivajući svjetsko priznanje kao veliki napredak u kvantnom računalstvu. Nakon toga, ovo je iznjedrilo daljnja istraživanja i napredak unutar polja.

Godine 2021. Sycamore je napravio još jedan korak naprijed demonstrirajući da može popraviti računalne pogreške. Međutim, sam proces je kasnije uveo nove pogreške. Uobičajeni problem u kvantnom računalstvu je to što njihove stope točnosti izračuna još uvijek nedostaju u usporedbi s klasičnim sustavima. 

Računala koja koriste bitove (binarne znamenke, koje su najmanja jedinica računalnih podataka) s dva moguća stanja (0 i 1) za pohranu podataka opremljena su ispravljanjem pogrešaka kao standardnom značajkom. Kada bit postane 0 umjesto 1 ili obrnuto, ova vrsta pogreške može se uhvatiti i ispraviti.

Izazov u kvantnom računalstvu je zamršeniji jer svaki kvantni bit, ili qubit, postoji istovremeno u stanju 0 i 1. Ako pokušate izmjeriti njihovu vrijednost, podaci će biti izgubljeni. Dugotrajno potencijalno rješenje bilo je grupiranje mnogih fizičkih kubita u jedan "logički kubit" (kubiti kojima upravljaju kvantni algoritmi). Iako su logički kubiti postojali i prije, nisu se koristili za ispravljanje pogrešaka.

Razarajući učinak

Nekoliko istraživačkih institucija i laboratorija za umjetnu inteligenciju proučavalo je kako napraviti logičke kubite koji se mogu sami ispravljati. Na primjer, američko Sveučilište Duke i Joint Quantum Institute stvorili su 2021. logički qubit koji funkcionira kao jedna jedinica. Temeljeći ga na kvantnom kodu za ispravljanje pogrešaka, greške se mogu lakše otkriti i ispraviti. Osim toga, tim je napravio qubit tolerantnim na pogreške kako bi obuzdao sve negativne učinke navedenih pogrešaka. Ovaj rezultat bio je prvi put da se pokazalo da je logički qubit pouzdaniji od bilo kojeg drugog potrebnog koraka u njegovom stvaranju.

Koristeći sustav ionske zamke Sveučilišta u Marylandu, tim je laserima uspio ohladiti do 32 pojedinačna atoma prije nego što su ih objesili preko elektroda na čipu. Manipulirajući svakim atomom laserima, uspjeli su ga koristiti kao qubit. Istraživači su pokazali da bi inovativni dizajni mogli za jedan dan osloboditi kvantno računalstvo od trenutnog stanja pogrešaka. Logički kubiti otporni na pogreške mogu zaobići nedostatke u suvremenim kubitima i mogli bi biti okosnica pouzdanih kvantnih računala za aplikacije u stvarnom svijetu.

Bez samoispravljajućih ili samopopravljajućih kvantnih računala bilo bi nemoguće napraviti sustave umjetne inteligencije (AI) koji su točni, transparentni i etični. Ovi algoritmi zahtijevaju velike količine podataka i računalne snage kako bi ispunili svoj potencijal, uključujući stvaranje sigurnih autonomnih vozila i digitalnih blizanaca koji mogu podržavati uređaje Interneta stvari (IoT).

Implikacije kvantnog računalstva koje se samo popravlja

Šire implikacije ulaganja u kvantno računalstvo koje se samo popravlja mogu uključivati: 

• Razvijanje kvantnih sustava koji mogu obraditi veće količine podataka dok hvataju pogreške u stvarnom vremenu.
• Istraživači razvijaju autonomne kvantne sustave koji ne samo da se mogu sami popravljati, već se i sami testirati.
• Povećano financiranje kvantnih istraživanja i razvoja mikročipova za stvaranje računala koja mogu obraditi milijarde informacija, ali zahtijevaju manje energije.
• Kvantna računala koja mogu pouzdano podržavati složenije procese, uključujući prometne mreže i potpuno automatizirane tvornice.
• Puna industrijska primjena kvantnog računalstva u svim sektorima. Ovaj će scenarij postati moguć tek kada se tvrtke osjećaju dovoljno sigurnima u točnost kvantnih računalnih izlaza za usmjeravanje donošenja odluka ili upravljanje sustavima visoke vrijednosti.

Pitanja za razmatranje

• Koje su druge potencijalne prednosti stabilnih kvantnih računala?
• Kako bi takve tehnologije mogle utjecati na vaš rad u budućnosti?