Στον κόσμο της κβαντικής υπολογιστικής, η διάσταση του χώρου Hilbert – το μέτρο του αριθμού των κβαντικών καταστάσεων στις οποίες μπορεί να έχει πρόσβαση ένας κβαντικός υπολογιστής – είναι ένα πολύτιμο απόκτημα.
Η ύπαρξη ενός μεγαλύτερου χώρου Hilbert επιτρέπει πιο σύνθετες κβαντικές λειτουργίες και παίζει κρίσιμο ρόλο στην ενεργοποίηση της κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων (QEC), απαραίτητης για την προστασία των κβαντικών πληροφοριών από θόρυβο και σφάλματα.
Νέα δεδομένα στην κβαντική υπολογιστική
Μια πρόσφατη μελέτη ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Yale που δημοσιεύτηκε στο Nature δημιούργησε qudits – ένα κβαντικό σύστημα που περιέχει κβαντικές πληροφορίες και μπορεί να υπάρχει σε περισσότερες από δύο καταστάσεις.
Χρησιμοποιώντας ένα qutrit (κβαντικό σύστημα 3 επιπέδων) και ένα ququart (κβαντικό σύστημα 4 επιπέδων), οι ερευνητές κατέδειξαν την πρώτη πειραματική κβαντική διόρθωση σφάλματος για κβαντικές μονάδες υψηλότερης διάστασης χρησιμοποιώντας τον μποζονικό κώδικα Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP).
Οι περισσότεροι κβαντικοί υπολογιστές στην αγορά συνήθως επεξεργάζονται πληροφορίες χρησιμοποιώντας κβαντικές καταστάσεις που ονομάζονται qubits – θεμελιώδεις μονάδες παρόμοιες με ένα bit σε έναν κανονικό υπολογιστή που μπορούν να υπάρχουν σε δύο σαφώς καθορισμένες καταστάσεις, πάνω (1) και κάτω (0) και επίσης και στις δύο καταστάσεις 0 και 1 ταυτόχρονα, λόγω της κβαντικής υπέρθεσης. Ο χώρος Hilbert ενός μόνο qubit είναι ένας δισδιάστατος σύνθετος διανυσματικός χώρος.
Qudits
Δεδομένου ότι όσο μεγαλύτερο τόσο καλύτερο, στην περίπτωση του χώρου Hilbert, η χρήση qudits αντί για qubits κερδίζει μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον.
Τα Qudits θα μπορούσαν να κάνουν απαιτητικές εργασίες όπως η κατασκευή κβαντικών πυλών, η εκτέλεση αλγορίθμων, η δημιουργία ειδικών «μαγικών» καταστάσεων και η προσομοίωση πολύπλοκων κβαντικών συστημάτων ευκολότερες από ποτέ. Για να αξιοποιήσουν αυτές τις δυνάμεις, οι ερευνητές έχουν αφιερώσει χρόνια στην κατασκευή κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται σε qudits με τη βοήθεια φωτονίων, υπερψυχρών ατόμων και μορίων και υπεραγώγιμων κυκλωμάτων.
Η αξιοπιστία της κβαντικής υπολογιστικής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την QEC, η οποία προστατεύει τις εύθραυστες κβαντικές πληροφορίες από θόρυβο και ατέλειες. Ωστόσο, οι περισσότερες πειραματικές προσπάθειες στην QEC επικεντρώνονται αποκλειστικά σε qubits και έτσι τα qudits τέθηκαν σε δεύτερη μοίρα.
Οι ερευνητές αυτής της μελέτης παρουσίασαν την πρώτη πειραματική επίδειξη διόρθωσης σφαλμάτων για ένα qutrit και ένα ququart, χρησιμοποιώντας τον μποζονικό κώδικα Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP). Για τη βελτιστοποίηση των συστημάτων ως τριαδικές και τεταρτοταγείς κβαντικές μνήμες, οι ερευνητές επέλεξαν έναν αλγόριθμο ενισχυτικής μάθησης, έναν τύπο μηχανικής μάθησης που χρησιμοποιεί μια μέθοδο δοκιμής και σφάλματος για να βρει τον καλύτερο τρόπο διόρθωσης σφαλμάτων ή λειτουργίας κβαντικών πυλών.
Το πείραμα ξεπέρασε το σημείο ισορροπίας για τη διόρθωση σφαλμάτων, παρουσιάζοντας μια πιο πρακτική και αποδοτική από πλευράς υλικού μέθοδο για την QEC, αξιοποιώντας τη δύναμη ενός μεγαλύτερου χώρου Hilbert.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι η αυξημένη απώλεια φωτονίων και οι ρυθμοί εκφάσεως των καταστάσεων qudit GKP μπορούν να οδηγήσουν σε μια μέτρια μείωση του χρόνου ζωής των κβαντικών πληροφοριών που κωδικοποιούνται σε λογικά qudits, αλλά σε αντάλλαγμα, παρέχουν πρόσβαση σε πιο λογικές κβαντικές καταστάσεις σε ένα μόνο φυσικό σύστημα.
Τα ευρήματα καταδεικνύουν την υπόσχεση για την υλοποίηση ισχυρών και κλιμακούμενων κβαντικών υπολογιστών και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε σημαντικές ανακαλύψεις στην κρυπτογραφία, την επιστήμη των υλικών και την ανακάλυψη φαρμάκων.
Περισσότερες πληροφορίες: Benjamin L. Brock et al, Διόρθωση κβαντικού σφάλματος qudits πέραν του νεκρού σημείου, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08899-y
Πληροφορίες περιοδικού: Nature
