Φυσικοί από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης έθεσαν ένα νέο παγκόσμιο ορόσημο στην ακρίβεια ελέγχου ενός μεμονωμένου quantum bit (qubit), επιτυγχάνοντας το χαμηλότερο ποσοστό σφάλματος στην ιστορία για μια κβαντική λογική λειτουργία – μόλις 0,000015%, ή ένα σφάλμα σε 6,7 εκατομμύρια λειτουργίες.
Αυτό το ρεκόρ αντιπροσωπεύει σχεδόν μια τάξη μεγέθους βελτίωση σε σχέση με το προηγούμενο ορόσημο, που είχε τεθεί από την ίδια ερευνητική ομάδα πριν από μια δεκαετία.
Η σημασία του ρεκόρ και τα qubits
Για να το βάλουμε σε ένα πλαίσιο: είναι πιο πιθανό κάποιος να χτυπηθεί από κεραυνό μέσα σε ένα χρόνο (1 στα 1,2 εκατομμύρια) παρά να κάνει ένα λάθος μια από τις κβαντικές λογικές πύλες της Οξφόρδης.
Τα ευρήματα, που θα δημοσιευτούν στο περιοδικό Physical Review Letters, αποτελούν μια σημαντική πρόοδο προς την κατεύθυνση της κατασκευής αξιόπιστων και χρήσιμων quantum computers.
«Όσο γνωρίζουμε, αυτή είναι η πιο ακριβής λειτουργία qubit που έχει ποτέ καταγραφεί οπουδήποτε στον κόσμο», δήλωσε ο καθηγητής David Lucas, συν-συγγραφέας της μελέτης από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.
«Είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατασκευή πρακτικών κβαντικών υπολογιστών που μπορούν να αντιμετωπίσουν πραγματικά προβλήματα».
Προς χρήσιμους κβαντικούς υπολογιστές
Για να γίνουν χρήσιμοι οι κβαντικοί υπολογιστές, θα πρέπει να εκτελεστούν εκατομμύρια λειτουργίες σε πολλούς qubits. Αυτό σημαίνει ότι αν το ποσοστό σφάλματος είναι πολύ υψηλό, το τελικό αποτέλεσμα θα είναι άχρηστο. Αν και η διόρθωση σφαλμάτων μπορεί να διορθώσει λάθη, αυτό απαιτεί πολλά περισσότερα qubits. Μειώνοντας το σφάλμα, η νέα μέθοδος μειώνει τον αριθμό των qubits που απαιτούνται και, συνεπώς, το κόστος και το μέγεθος του ίδιου του κβαντικού υπολογιστή.
Η ερευνητική ομάδα της Οξφόρδης
Η Molly Smith, επικεφαλής συγγραφέας και φοιτήτρια στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, δήλωσε:
«Μειώνοντας δραστικά την πιθανότητα σφάλματος, αυτή η εργασία μειώνει σημαντικά την υποδομή που απαιτείται για διόρθωση σφαλμάτων, ανοίγοντας το δρόμο για μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές που θα είναι μικρότεροι, ταχύτεροι και πιο αποδοτικοί. Ο ακριβής έλεγχος των qubits θα είναι επίσης χρήσιμος για άλλες κβαντικές τεχνολογίες όπως τα ρολόγια και οι κβαντικοί αισθητήρες».
Πρωτοφανής ακρίβεια με παγίδευση ιόντων ασβεστίου
Αυτό το πρωτοφανές επίπεδο ακρίβειας επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας ένα παγιδευμένο ιόν ασβεστίου ως το qubit (κβαντικό bit). Τα ιόντα αυτά αποτελούν φυσική επιλογή για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους και της ανθεκτικότητάς τους. Σε αντίθεση με την παραδοσιακή μέθοδο που χρησιμοποιεί λέιζερ, η ομάδα της Οξφόρδης έλεγξε την κβαντική κατάσταση των ιόντων ασβεστίου χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά (μικροκύματα) σήματα.
Η μέθοδος αυτή προσφέρει μεγαλύτερη σταθερότητα από τον έλεγχο με λέιζερ και έχει επιπλέον οφέλη για την κατασκευή πρακτικού κβαντικού υπολογιστή. Για παράδειγμα, ο ηλεκτρονικός έλεγχος είναι πολύ πιο φθηνός και πιο ανθεκτικός από τα λέιζερ και πιο εύκολος στην ενσωμάτωση σε τσιπ παγίδευσης ιόντων. Επιπλέον, το πείραμα έγινε σε θερμοκρασία δωματίου και χωρίς μαγνητική θωράκιση, απλοποιώντας έτσι τις τεχνικές απαιτήσεις για την κατασκευή ενός λειτουργικού κβαντικού υπολογιστή.
Το προηγούμενο ρεκόρ και το μέλλον της τεχνολογίας
Το προηγούμενο καλύτερο ποσοστό σφάλματος για μεμονωμένο qubit, που επίσης είχε επιτευχθεί από την ομάδα της Οξφόρδης το 2014, ήταν 1 στα 1 εκατομμύριο. Η εμπειρία της ομάδας οδήγησε στην ίδρυση της spinout εταιρείας Oxford Ionics το 2019, η οποία έχει εξελιχθεί σε ηγετική δύναμη στις πλατφόρμες παγιδευμένων ιόντων υψηλών επιδόσεων.
Παρόλο που το ρεκόρ αυτό σηματοδοτεί ένα σημαντικό ορόσημο, η ερευνητική ομάδα προειδοποιεί ότι αποτελεί μέρος ενός μεγαλύτερου προκλήματος. Οι κβαντικοί υπολογιστές απαιτούν τη συνεργασία πύλων μεμονωμένων και δύο qubits. Προς το παρόν, οι πύλες δύο qubits έχουν σημαντικά υψηλότερα ποσοστά σφάλματος – περίπου 1 στα 2000 στις καλύτερες επιδείξεις μέχρι σήμερα – και η μείωσή τους θα είναι κρίσιμη για την κατασκευή πλήρως ανεκτικών στα σφάλματα κβαντικών μηχανών.
Οι συμμετέχοντες στην έρευνα
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης από τους Molly Smith, Aaron Leu, Dr. Mario Gely και τον καθηγητή David Lucas, μαζί με τον επισκέπτη ερευνητή Dr. Koichiro Miyanishi από το Κέντρο Κβαντικής Πληροφορίας και Κβαντικής Βιολογίας του Πανεπιστημίου του Όσάκα.
Οι επιστήμονες της Οξφόρδης αποτελούν μέρος του UK Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, που ήταν τμήμα του συνεχιζόμενου Εθνικού Προγράμματος Κβαντικών Τεχνολογιών του Ηνωμένου Βασιλείου.
Πληροφορίες
M. C. Smith et al. , Single-qubit gates with errors at the 10−7 level, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/42w2-6ccy. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.04421
Journal information: Physical Review Letters , arXiv
Provided by University of Oxford