Οι κβαντικοί υπολογιστές θεωρούνται μία από τις πιο ελπιδοφόρες τεχνολογίες του μέλλοντος, καθώς μπορούν να επιλύσουν προβλήματα που παραμένουν απρόσιτα για τους σημερινούς κλασικούς υπολογιστές. Ωστόσο, ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην εξέλιξή τους είναι η ευαισθησία των κβαντικών bit (qubits), τα οποία επηρεάζονται εύκολα από θερμότητα, μαγνητικά πεδία και άλλες περιβαλλοντικές διαταραχές, οδηγώντας σε σφάλματα κατά τους υπολογισμούς.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Princeton παρουσίασαν μια νέα προσέγγιση που επιτρέπει όχι μόνο τη μείωση των σφαλμάτων, αλλά και την ευκολότερη ανίχνευση και διόρθωσή τους. Η εργασία τους δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Nature Physics».
Κβαντικά bit που αποκαλύπτουν τα δικά τους λάθη
Η νέα μέθοδος βασίζεται σε μετασταθή ουδέτερα άτομα του ισοτόπου υττερβίου-171, τα οποία βρίσκονται σε μια μακρόβια διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση. Σύμφωνα με τον επικεφαλής της μελέτης, Jeff D. Thompson, στόχος της ομάδας ήταν να σχεδιάσει qubits που μετατρέπουν τα αναπόφευκτα σφάλματα σε «σφάλματα διαγραφής» (erasure errors), τα οποία είναι πολύ ευκολότερο να εντοπιστούν και να διορθωθούν.
Όπως εξήγησε ο ίδιος, σε προηγούμενες έρευνες η ομάδα είχε καταφέρει να κάνει τα σφάλματα ανιχνεύσιμα, όμως τότε η μοναδική λύση ήταν η απόρριψη του προβληματικού qubit. Στη νέα εργασία αποδεικνύεται ότι τα ανιχνεύσιμα αυτά σφάλματα μπορούν πλέον να διορθωθούν αποτελεσματικά, χωρίς να απαιτείται η εγκατάλειψη της υπολογιστικής διαδικασίας.
Ένας νέος κώδικας διόρθωσης σφαλμάτων
Οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν ειδικό κώδικα διόρθωσης που αποθηκεύει δύο λογικά qubits σε τέσσερα φυσικά qubits. Με αυτόν τον τρόπο, όταν εμφανίζεται ένα «σφάλμα διαγραφής», το σύστημα γνωρίζει ακριβώς ποιο qubit επηρεάστηκε και μπορεί να το διορθώσει.
Για να αποδείξουν την αποτελεσματικότητα της μεθόδου, χρησιμοποίησαν έναν σχετικά μικρό κώδικα διόρθωσης, γνωστό ως distance-2 code. Αν και αυτός δεν επαρκεί για τη διόρθωση συμβατικών σφαλμάτων, μπορεί να αντιμετωπίσει επιτυχώς ένα μεμονωμένο σφάλμα διαγραφής, επιβεβαιώνοντας την αξία της νέας προσέγγισης.
Το επόμενο βήμα προς την κβαντική υπολογιστική
Η μελέτη αποτελεί μια πρώτη απόδειξη ότι η τεχνική μπορεί να βελτιώσει ουσιαστικά την αξιοπιστία των κβαντικών επεξεργαστών. Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να εφαρμόσουν τη μέθοδο σε μεγαλύτερους κώδικες διόρθωσης, ώστε να αντιμετωπίζονται τόσο τα σφάλματα διαγραφής όσο και άλλες μορφές λαθών.
Παράλληλα, εργάζονται στην ανάπτυξη ταχύτερων λογικών λειτουργιών, καλύτερων κβαντικών πυλών και τεχνικών αντικατάστασης χαμένων ατόμων κατά τη διάρκεια των υπολογισμών.
Εάν οι προσπάθειες αυτές στεφθούν με επιτυχία, θα μπορούσαν να οδηγήσουν στη δημιουργία μεγάλων, ανθεκτικών και αξιόπιστων κβαντικών υπολογιστών, ικανών να εκτελούν πολύπλοκους υπολογισμούς διορθώνοντας αυτόματα τα σφάλματα που εμφανίζονται κατά τη λειτουργία τους.