Koreksi kesalahan dalam uji komputer kuantum menegaskan kelayakan praktis dan efek eksponensial dari protokol koreksi

Kemajuan penting: Sejauh ini, kerentanan komputer kuantum terhadap kesalahan telah mencegah penggunaannya yang lebih luas. Pengujian pada komputer kuantum “Sycamore” Google membuktikan dalam praktik untuk pertama kalinya bahwa protokol tambalan ini berfungsi. Mereka mengurangi tingkat kesalahan sistem dengan faktor 100, tim melaporkan dalam jurnal khusus Nature. Tetapi yang lebih penting: koreksi kesalahan memiliki efek eksponensial ketika diukur, dan itu hanya memungkinkan komputer kuantum yang lebih besar.

komputer Mereka dianggap komputer masa depan karena mereka jauh lebih cepat daripada komputer biasa berkat fenomena fisik kuantum seperti belitan dan superposisi. kalkulator googlesycamore“Simulator Kuantum Cina”JiuzhangSupremasi kuantum ini seharusnya sudah ditunjukkan. Namun, teknologinya belum sepenuhnya berkembang: komputer kuantum masih membuat banyak kesalahan.

Mengapa ada begitu banyak kesalahan dalam komputasi kuantum?

Masalahnya: keterjeratan dan superposisi bit kuantum sangat sensitif sehingga bahkan efek gangguan terkecil pun merusak koherensinya dan dengan demikian menyebabkan kesalahan. Jadi komputer kuantum hanya dapat digunakan dengan andal dan dalam skala yang lebih besar jika ada mekanisme koreksi yang secara efisien mendeteksi dan menghilangkan kesalahan ini. Beberapa dari protokol ini telah dikembangkan, tetapi tes praktisnya pada komputer kuantum yang lebih kompleks belum dilakukan.

Sebuah tim dari Google AI melakukan tes ini menggunakan komputer kuantum Sycamore. Sistem ini didasarkan pada 54 qubit superkonduktor yang disusun dalam jaringan dua dimensi dan digabungkan satu sama lain. Prinsip koreksi kesalahan didasarkan pada penggabungan beberapa qubit fisik menjadi satu qubit logis, yang pada akhirnya melakukan perhitungan. Keuntungan: Ini berarti bahwa komputasi dapat berlanjut bahkan jika terjadi kegagalan individu unit fisik, dan pada saat yang sama beberapa qubit dapat digunakan untuk memantau kesalahan.

Dua log kesalahan dalam pengujian

Tidak seperti komputer normal, sistem kuantum tidak dapat menemukan kesalahan hanya dengan menyalin dan membandingkan data karena qubit kuantum tidak dapat disalin. Jadi kita harus menemukan cara untuk mendeteksi kesalahan tanpa merusak keadaan kuantum. Pemantauan kesalahan seperti itu dimungkinkan, misalnya, karena qubit individu mendeteksi keadaan kuantum tetangganya dan dengan demikian bertindak sebagai ‘sensor pengukuran’.

Tim Google sekarang telah menguji dua metode tersebut menggunakan sistem “Sycamore” mereka. Yang pertama adalah kode redundansi. “Menggunakan kode redundansi, qubit individu beralih bolak-balik antara pengukuran dan pemrosesan data dalam rantai satu dimensi,” mereka menjelaskan. Setiap qubit pengukuran memeriksa keadaan tetangganya. Namun, hanya satu dari dua jenis kesalahan yang terdeteksi pada setiap langkah – kesalahan sedikit atau fase.

Pada metode kedua, kode permukaan, ukuran, dan data disusun secara bergantian dalam kisi dua dimensi. Setiap qubit yang diukur dapat mendeteksi kesalahan bit dan fase. Oleh karena itu, metode ini lebih cocok untuk komputer kuantum yang lebih besar, tetapi lebih sulit untuk diterapkan. Dalam pengujian mereka, para peneliti menjalankan kode halus dalam rantai hingga 21 qubit, dan kode permukaan pada skala yang lebih kecil dengan tujuh qubit.

Koreksi bekerja secara eksponensial

Hasilnya: “Dalam kasus kode redundansi, kesalahan logis berkurang lebih dari seratus kali jika jumlah qubit meningkat dari lima menjadi 21,” para ilmuwan melaporkan. Ini menunjukkan bahwa koreksi kesalahan berlanjut secara eksponensial dengan bertambahnya jumlah bit. Koreksi kesalahan eksponensial seperti itu penting karena jika tidak, upaya dalam sistem kuantum yang lebih besar akan sangat tinggi—keuntungan dari komputer kuantum akan dengan cepat menjadi usang.

“Secara teoritis diharapkan bahwa tingkat koreksi kesalahan akan meningkat secara eksponensial dengan jumlah qubit yang digunakan. Namun, bagus untuk melihat bahwa asumsi teoretis ini telah terpenuhi,” jelas fisikawan kuantum Tommaso Calarco dari Forschungszentrum Jülich, yang tidak terlibat dalam penelitian ini, karena kenaikan Eksponensial ini diperlukan untuk mencapai komputer kuantum yang lengkap dan efisien.

‘guru yang menentukan’

Juga positif: implementasi praktis dari kode antarmuka juga berhasil dan sistem berperilaku seperti yang diharapkan dalam model. Rejimen koreksi juga tetap stabil selama lebih dari 50 siklus, tim peneliti melaporkan. “Demo ini sekarang memberikan dasar untuk pengembangan komputer kuantum yang dapat diskalakan dan toleran terhadap kesalahan berdasarkan qubit superkonduktor,” tulis para ilmuwan.

Sven Ramelow dan Helen Cherzanowski dari Universitas Humboldt di Berlin juga melihat ini sebagai pencapaian penting: “Salah satu pemimpin dunia yang tak terbantahkan dalam perlombaan merancang komputer kuantum pertama di dunia telah mencapai tonggak penting dalam perjalanannya,” komentar para fisikawan tidak terlibat dalam percobaan. “Meskipun masih merupakan perangkat yang sangat kecil dibandingkan dengan melihat komputer kuantum yang nyata dan berguna, ini secara meyakinkan menunjukkan bahwa koreksi kesalahan yang efisien dan efektif dalam prosesor kuantum juga dimungkinkan dalam praktik.”

Tantangan masih tetap ada

Namun, sebelum komputer kuantum juga dapat menghitung bebas kesalahan dalam skala yang lebih besar, beberapa pengoptimalan masih diperlukan, yang juga diakui oleh tim AI Google. “Masih banyak tantangan dalam perjalanan menuju koreksi kesalahan yang terukur,” tulis mereka. Di atas segalanya, agar dapat menggunakan kode permukaan, koherensi dan kontrol qubit harus lebih ditingkatkan.

Jika berhasil, komputer kuantum yang lebih besar seperti yang direncanakan oleh IBM juga dapat digunakan di masa depan المستقبل sistem 1.000-kibit Dapat digunakan dalam praktek. (Alam, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03588-y)

Pena bulu: Alam, Pusat Media Sains

15 Juli 2021

– Nadia Podebrigar