Kvantni računalniki, ki se sami popravljajo: brez napak in odporni na napake

• Avtor:
• ime avtorja

  Quantumrun Foresight
• Februar 14, 2023

Povzetek vpogleda

Kvantno računalništvo predstavlja spremembo paradigme v računalniški obdelavi. Ti sistemi imajo potencial za reševanje zapletenih izračunov v nekaj minutah, za katere bi klasični računalniki potrebovali leta, včasih stoletja. Vendar pa je prvi korak pri omogočanju polnega potenciala kvantnih tehnologij zagotavljanje, da lahko same popravijo svoje rezultate.

Kontekst samopopravljajočega se kvantnega računalništva

Leta 2019 je čip Google Sycamore, ki vsebuje 54 kubitov, lahko izvedel izračun v 200 sekundah, za katerega bi klasičen računalnik običajno potreboval 10,000 let. Ta dosežek je bil katalizator Googlove kvantne nadvlade, ki je prejel svetovno priznanje kot velik preboj v kvantnem računalništvu. Kasneje je to spodbudilo nadaljnje raziskave in napredek na tem področju.

Leta 2021 je Sycamore naredil še en korak naprej in pokazal, da lahko popravi računske napake. Vendar pa je sam postopek kasneje povzročil nove napake. Običajna težava kvantnega računalništva je, da so stopnje točnosti njihovih izračunov še vedno premajhne v primerjavi s klasičnimi sistemi. 

Računalniki, ki za shranjevanje podatkov uporabljajo bite (binarne števke, ki so najmanjša enota računalniških podatkov) z dvema možnima stanjema (0 in 1), so standardno opremljeni s popravljanjem napak. Ko postane bit 0 namesto 1 ali obratno, je to vrsto napake mogoče ujeti in popraviti.

Izziv kvantnega računalništva je bolj zapleten, saj vsak kvantni bit ali qubit hkrati obstaja v stanju 0 in 1. Če poskušate izmeriti njuno vrednost, se bodo podatki izgubili. Dolgoletna potencialna rešitev je bila združitev številnih fizičnih kubitov v en "logični kubit" (kubite, ki jih nadzirajo kvantni algoritmi). Čeprav so logični kubiti obstajali že prej, niso bili uporabljeni za odpravljanje napak.

Moteč vpliv

Več raziskovalnih ustanov in laboratorijev AI preučuje, kako izdelati logične kubite, ki se lahko sami popravljajo. Univerza Duke s sedežem v ZDA in Joint Quantum Institute sta leta 2021 na primer ustvarila logični kubit, ki deluje kot ena sama enota. Če temelji na kodi za kvantno odpravljanje napak, je napake lažje odkriti in popraviti. Poleg tega je ekipa poskrbela, da je qubit odporen na napake, da vsebuje vse negativne učinke omenjenih napak. Ta rezultat je bil prvič, da se je izkazalo, da je logični kubit zanesljivejši od katerega koli drugega zahtevanega koraka pri njegovem ustvarjanju.

Z uporabo sistema ionske pasti Univerze v Marylandu je ekipa lahko z laserji ohladila do 32 posameznih atomov, preden jih je obesila na elektrode na čipu. Z manipulacijo vsakega atoma z laserji so ga lahko uporabili kot kubit. Raziskovalci so dokazali, da lahko inovativni dizajni za en dan osvobodijo kvantno računalništvo od trenutnega stanja napak. Logični kubiti, odporni na napake, lahko odpravijo napake v sodobnih kubitih in so lahko hrbtenica zanesljivih kvantnih računalnikov za aplikacije v resničnem svetu.

Brez kvantnih računalnikov, ki se sami popravljajo ali samopopravljajo, bi bilo nemogoče izdelati sisteme umetne inteligence (AI), ki bi bili natančni, pregledni in etični. Ti algoritmi zahtevajo velike količine podatkov in računalniško moč, da izpolnijo svoj potencial, vključno z izdelavo varnih avtonomnih vozil in digitalnih dvojčkov, ki lahko podpirajo naprave interneta stvari (IoT).

Posledice samopopravljajočega se kvantnega računalništva

Širše posledice naložb v samopopravljajoče se kvantno računalništvo lahko vključujejo: 

• Razvijanje kvantnih sistemov, ki lahko obdelajo večje količine podatkov, medtem ko lovijo napake v realnem času.
• Raziskovalci razvijajo avtonomne kvantne sisteme, ki se ne samo popravljajo, ampak tudi sami testirajo.
• Povečano financiranje kvantnih raziskav in razvoja mikročipov za ustvarjanje računalnikov, ki lahko obdelajo milijarde informacij, vendar zahtevajo manj energije.
• Kvantni računalniki, ki lahko zanesljivo podpirajo kompleksnejše procese, vključno s prometnimi omrežji in popolnoma avtomatiziranimi tovarnami.
• Polna industrijska uporaba kvantnega računalništva v vseh sektorjih. Ta scenarij bo mogoč šele, ko se bodo podjetja počutila dovolj prepričana o točnosti rezultatov kvantnega računalništva, da bodo lahko vodila odločanje ali upravljala sisteme visoke vrednosti.

Vprašanja, ki jih je treba upoštevati

• Katere so druge potencialne prednosti stabilnih kvantnih računalnikov?
• Kako bi lahko takšne tehnologije vplivale na vaše delo v prihodnosti?