Az első lépések a kvantumhibajavításban
2014-ben a John Martinis vezette kutatócsoport, akkor még a Kaliforniai Egyetemen, Santa Barbarán (UCSB), egy látványos kísérletet mutatott be. Kvantumszámítógépükön egy klasszikus bitet tároltak, mégpedig ismétlőkóddal védve. Az így védett bit kb. 100 mikroszekundumos felezési időt ért el, ami ugyan röhejesen kevés egy pendrive-hoz képest, de nem is az volt a cél, hogy világrekordot döntsenek, hanem hogy demonstrálják: a kvantumos hibák javítása működőképes elv.
Lényeges, hogy már akkor is kimutatták: minél több qubitet vonnak be egy ilyen kódba, annál tovább marad épségben az információ. A 9 qubites kód tovább bírta, mint az egyes qubitek magukban, sőt még a kisebb, 5 qubites kódot is túlszárnyalta. Már ekkor érződött, hogy a kvantumszámítástechnikában a mennyiség átfordulhat minőséggé.
Hirtelen áttörés: FOOM-effektus
A következő években ugyanez a csoport – immár a Google égisze alatt – lépésről lépésre javította az eredményeket. 2021-re egy 21 qubites ismétlőkód már 3 ezredmásodperces felezési időt tudott, 2023-ra pedig 49 qubitre bővítették a kódot, amely már 300 ezredmásodpercig is stabilan tartotta az adatot. A legmegdöbbentőbb ugrás azonban 2024-ben jött: szintén 49 qubit mellett, de már kétórás (!) tárolási időt mértek.
A fejlesztést egy látványos grafikon írja le: évekig csak lassú javulás, aztán váratlanul hirtelen, több nagyságrenddel javulnak az eredmények. Ezt nevezik „FOOM”-nak, hirtelen exponenciális előretörésnek.
Sikerrecept: két egymásra épülő exponenciális fejlődés
A FOOM hátterében egyszerű, de erős matematika áll. Ha a qubitek minősége adott, és évente megkétszereződnek a qubitekből összeállított kódok, akkor a felezési idő a következő szerint nő: L = Cλ^q, ahol q a qubitek száma, λ a minőségük (pl. 2), C pedig egy kiinduló állandó.
Együttesen két egymásra rakódó exponenciális hatás érvényesül: az egyik a növekvő qubitszám, a másik az, amit az egyre több qubit ad a hibajavításhoz. Az eredmény: sokáig nem látható jelentős változás, aztán hirtelen drámai javulás.
A gyakorlatban persze mindig vannak előre nem látható akadályok, ezek az úgynevezett hibajavítási „küszöbök”. Ilyen lehet például az áramellátás megbízhatatlansága, vagy technikai problémák, mint a transzmon qubitek „kiszivárgása” a kívánt állapotból, vagy a kozmikus sugárzás okozta meghibásodások. A 2023-as, 300 ezredmásodperces rekordot például rendszeresen megzavarták kozmikus részecskék; ezt végül egy kozmikus sugárzás elleni árnyékoló telepítésével sikerült kezelni, ami hozta a 2024-es ugrást.
Teljes hibajavítás: a valódi kvantumcél
Az eddigiek csak klasszikus bitek védelméről szóltak. Egy igazi kvantumszámítógépnek azonban a qubiteket is védenie kell, amihez legalább kétféle hibát (bitfordítás és fázisfordítás – bit-flip és phase-flip) egyszerre kell javítani. Ehhez olyan bonyolultabb kódok kellenek, mint a felületi kód (surface code).
Ha minden exponenciális trend kitart, akkor a qubitszám négyszerezése ezerszeres élettartam-növekedéshez vezet. A 2024-es feljegyzések szerint már sikerült 0,1%-ra csökkenteni a hibaarányt, és néhány ilyen ugrással elérhető a kvantumhibák szinte teljes kiküszöbölése is – kivéve persze, ha közbejön egy újabb, eddig ismeretlen küszöb, mint például a vezetékek bonyolultsága vagy valamilyen katasztrófa.
Közel az áttörés
Végül: a három fő akadály a széles körű kvantumszámítástechnika előtt a qubitminőség, a qubitmennyiség és a qubitsebesség. Az új eredmények alapján a minőségi küszöb átlépése belátható időn belül, nagyjából öt éven belül várható. Ami évtizedekig lehetetlennek látszott, az most a FOOM-jelenségnek köszönhetően hamarabb valósággá válhat, mint bárki gondolta volna.
