Výskumníci vo Švajčiarsku prekonali významnú prekážku v oblasti kvantových počítačov

Christopher Eichler, Andreas Wallraff, Nathan Lacroix and Sebastian Krinner (from left to right) — ETH Zürich

Výskumníkom z ETH Zürich sa po prvý raz podarilo rýchlo a nepretržite opravovať chyby v digitálnych kvantových systémoch. Prekonali tak dôležitú prekážku na ceste k praktickým kvantovým výpočtom, ktoré predchádzajúce metódy korekcie chýb nedokázali. Univerzity a spoločnosti po celom svete pracujú na kvantovej výpočtovej technike.

Kvantové počítače sú vnímané ako maják nádeje pre budúce spracovanie informácií. Existuje však neistota, či budú niekedy schopné nahradiť konvenčné počítače alebo nie, pretože kvantové počítače majú problém: sú extrémne náchylné na chyby a oprava chýb je veľmi náročná.

Výskumníkom z ETH Zürich sa teraz podarilo prekonať dôležitú prekážku: po prvý raz dokázali automaticky opraviť chyby v kvantových systémoch do takej miery, že výsledky kvantových operácií možno využiť v praxi. Ako uviedol Andreas Wallraff, profesor na Katedre fyziky a riaditeľ Katedry fyziky Quantum Center na ETH Zürich: „Ukážka, že chyby v kvantovom počítači pracujúcom s kvantovými bitmi (qubitmi) je možné opraviť rýchlo a opakovane, je prielomom na ceste k vybudovaniu praktického kvantového počítača.“ Vedci publikovali článok o tomto výskume na ArXiv.org a poslali ho do odborného časopisu na publikovanie.

Sofistikované usporiadanie qubitov

Predchádzajúce metódy korekcie chýb nedokázali súčasne odhaliť a opraviť oba základné typy chýb, ktoré sa vyskytujú v kvantových systémoch. Wallraffov tím teraz predstavil prvý systém, ktorý dokáže opakovane odhaliť a opraviť oba typy chýb. Švajčiarski výskumníci dosiahli tento dôležitý úspech pomocou čipu, špeciálne vyrobeného vo vlastnom laboratóriu ETH Zürich pre čisté priestory, ktorý obsahuje celkovo 17 supravodivých qubitov. Výskumný tím vykonal opravu chýb pomocou toho, čo je známe ako povrchový kód – metóda, v ktorej sú kvantové informácie qubitu rozdelené do niekoľkých fyzických qubitov.

Deväť zo 17 qubitov čipu je usporiadaných do štvorcovej mriežky tri krát tri a spolu tvoria to, čo je známe ako logický qubit: výpočtová jednotka kvantového počítača. Zvyšných osem qubitov na čipe je od nich odsadených; ich úlohou je odhaliť chyby v systéme.

Ak porucha vyskytujúca sa v logickom qubite skresľuje informácie, systém rozpozná túto poruchu ako chybu. Riadiaca elektronika potom zodpovedajúcim spôsobom koriguje merací signál. Ako priznal Sebastian Krinner, vedec z Wallraffovej skupiny a hlavný autor štúdie spolu s Nathanom Lacroixom: „Práve teraz neopravujeme chyby priamo v qubitoch. Ale pre väčšinu aritmetických operácií to ani nie je potrebné.“

Vysoko špecializovaná elektronika používaná na ovládanie qubitov na čipe bola vyrobená spin-offom ETH Zürich Instruments. Samotný čip je umiestnený na najnižšej úrovni veľkého kryostatu – špeciálneho chladiaceho zariadenia – a pracuje pri teplote len 0,01 Kelvina, čo je sotva nad absolútnou nulou.

Konkurenčná oblasť výskumu

Korekcia chýb je v súčasnosti veľmi diskutovanou oblasťou kvantového výskumu. Okrem technických univerzít ako ETH Zürich alebo TU Delft sú medzi konkurentmi veľké korporácie ako Google a IBM. Ako dodal Wallreff: „Spolu s našimi kolegami z Nemecka a Kanady sme boli prvou skupinou, ktorá vykonala praktickú opravu chýb pomocou qubitov. To je úspech, ktorý nás napĺňa hrdosťou. Potvrdzuje to, že my v ETH Zürich sme skutočne v prvej lige kvantového výskumu.“

Ako ďalší krok chcú teraz výskumníci z ETH Zürich postaviť čip s mriežkou qubit 5 x 5, čo si vyžaduje príslušne zložitejšiu technológiu a bude obsahovať aj viac qubitov na opravu chýb.

Viac informácií:

Krinner, S et al.: Realizing Repeated Quantum Error Correction in a Distance-Three Surface Codecall_made, uploaded to arxiv.org on 7 december 2021 (manuscript not yet peer-reviewed)