V današnjem Znanstvenem britOFFu sledimo tehničnim napredkom iz sveta kvantnega računalništva. Ekipa avstrijskih in nemških znanstvenikov ter znanstvenic poroča o izjemnem dosežku – demonstrirali so namreč univerzalna kvantna vrata, ki se ponašajo z odpornostjo na prav vse vire napak, vključno s tistimi v kvantni fazi. Članek je bil nedavno objavljen v reviji Nature, prednatis pa je prosto dostopen na spletnem repozitoriju arXiv.

Natančno upravljanje s kvantnimi stanji za izvajanje logičnih operacij bi lahko v prihodnosti pomembno dopolnilo sedaj že skoraj konvergirane sposobnosti klasičnih računalnikov. Velik izziv na tej poti je ohranjanje kvantne narave denimo posamičnega atoma, ki zapisuje kvantni bit. V vsakem trenutku bi se lahko zaradi vpliva okolja zgodila dekoherenca, kar pomeni uničenje kvantne informacije. Za preprečevanje tega se je v zadnjih letih razbohotila tehnologija tako imenovanega kvantnega popravljanja napak, kjer je navadno veliko fizičnih kvantnih bitov združenih v logične kvantne bite. Ta princip uporablja tudi torična koda, ki so jo z 31-imi superprevodnimi kubiti nedavno implementirali pri Googlu.

Tudi tam so se bili primorani srečati še z naslednjo težavo: odpornost logičnega stanja na dekoherenco ne preprečuje kvarjenja informacije pri logičnih operacijah. Te so namreč lahko implementirane s končno natančnostjo, pri velikem številu fizičnih kubitov pa za vsako logično operacijo potrebujemo ogromno število fizičnih manipulacij. Verjetnost za napako tako naraste in tudi napaka na zgolj enih fizičnih vratih se lahko razširi na celoten sistem. Zato se je pojavila potreba po sistemu univerzalnih kvantnih vrat, pri katerih bi lahko zaznali in odpravili morebitne take napake.

Raziskovalci in raziskovalke so svoj logični kubit realizirali s sedmimi atomi v ionski pasti s tehnologijo barvne kode. Logični operatorji v kodi so sestavljeni iz sedmih fizičnih vrat, sistem pa omogoča odpravo vseh napak, lokaliziranih na posamičnem fizičnem kubitu. To so lahko zagotovili z dodatnim pomožnim kubitom, ki ima vlogo nekakšne rdeče dvignjene zastavice in signalizira, da je priprava kvantnega stanja spodletela ter da je treba postopek ponoviti. Ta postopek je omogočil, da je po delovanju s kvantnimi vrati logični kubit zvesto pristal v pričakovanem stanju.

Tu pa se je šele začel pravi izziv, saj je večji kos opisane tehnologije vsaj idejno znan že od začetka tisočletja. Za prava univerzalna vrata potrebujemo še dodatne operacije na dveh logičnih kubitih. Zadostujejo tri sorte operacij: Cliffordova vrata, vrata CNOT in vrata T. Za prva dva tipa vrat v zadnjih letih obstajajo sofisticirane transverzalne implementacije, kjer je potrebno zgolj delovanje na vsakega izmed izičnih kubitov posebej. Za zadnja, vrata T, pa je to možno le z uporabo tako imenovanih magičnih resursov. Tu so se zanašali na nedavno formuliran robusten postopek kvantne teleportacije vrat med dvema logičnima kubitoma.

Ravno robustna izvedba vrat T pa je v teh vezjih ključna za doseganje močno zaželene kvantne premoči. Vse kvantne protokole s samo Cliffordovimi vrati lahko namreč učinkovito simuliramo s klasičnimi računalniki. Odpornost na napake pri pripravi logičnih kubitov in implementaciji vrat so demonstrirali še s primerjavo opisanega postopka s protokolom brez kvantnega popravljanja napak – tako v eksperimentu kot simulaciji. Vsa končna stanja sicer niso bila enako zvesta pričakovanim, vendar je popravljanje zvestost pri skoraj vseh za nekajkrat povečalo.

Trik s kvantno teleportacijo sicer zahteva meritev na enem izmed logičnih kubitov, zato so ga lahko izvedli le na koncu svojega protokola. Avtorji in avtorice med prihodnjimi izzivi na poti do robustnih univerzalnih kvantnih simulatorjev zato izpostavljajo ponovljivo kvantno popravljanje napak.

vir: https://arxiv.org/abs/2111.12654

foto: rš