Hogyan hibázik a qubit
Az Amazon megközelítésének alapja, hogy egy bizonyos típusú qubitet használnak az adatok tárolására, és egy másikat a hibajavítás lehetővé tételére. Az adatqubit rendkívül ellenálló a hibák egyik típusával szemben, de hajlamos egy másik típusú hibára. Ezek a hibák jelentik azt a pontot, ahol a második típusú qubit bekapcsolódik; ezt arra használják, hogy olyan hibajavító kódot futtasson, amely hatékonyan észleli az adatqubiteknél jellemzően előforduló problémákat. Együttesen a kettő remélhetőleg lehetővé teszi, hogy a hibajavítást jóval kevesebb hardveres qubit kezelje.
Egy normál számítógépben valójában csak egyféle hibával kell számolni: amikor egy bit már nem őrzi meg azt az értéket, amelyre beállították. Ezt bitváltásnak nevezik, mivel az érték nulláról egyre vagy egyről nullára változik. Mint a legtöbb kvantumszámítástechnikai dolog esetében, a qubiteknél a helyzet jóval bonyolultabb. Mivel nem bináris értékeket tárolnak, hanem valószínűségeket, nem lehet egyszerűen átváltani a qubit értékét. Ehelyett a kvantumvilágban a bitváltás a valószínűségek megfordítását jelenti – például 60:40-ről 40:60-ra vagy hasonlóra.
A kvantum macskaállapotok
A bitváltások azonban nem az egyetlen problémák, amelyek előfordulhatnak. A qubitek szenvedhetnek az úgynevezett fázisváltási hibáktól is. Ezeknek nincs klasszikus számítógépes megfelelőjük, de megakadályozhatják a kvantumszámítógépek megfelelő működését. Korábban az Amazon rendkívül egyszerűvé tette a bitváltási hibák észlelését. Az új munkájukban azonban más irányba mozdultak: egy olyan qubitet fejlesztettek, amely nagymértékben csökkenti a bitváltási hibák valószínűségét.
Ezt az úgynevezett “macska-qubiteknek” nevezett technológiával érik el, amely a híres Schrödinger macskájáról kapta a nevét, amely egyszerre két állapotban létezett. Míg a legtöbb qubit egyetlen kvantumtárgyon alapul, amely ilyen szuperpozícióba kerül, egy macska-qubit objektumok gyűjteményét tartalmazza egyetlen szuperpozícióban. (Másképp fogalmazva, a szuperpozíciós állapot az objektumgyűjteményen oszlik el.) A Google-höz hasonló vállalatok által eddig bemutatott macska-qubitek esetében az objektumok fotonok, amelyeket mind egyetlen rezonátorban tárolnak, és az Amazon is hasonló technológiát használ. A macska-qubitek jellegzetes tulajdonsággal rendelkeznek más lehetőségekhez képest: a bitváltások valószínűtlenek, és még valószínűtlenebbé válnak, ahogy több fotont pumpálnak a rezonátorba. Ennek azonban van egy hátránya: több foton esetén a fázisváltások valószínűbbé válnak.
Macskák forgatása
Ez a fázisváltás az oka annak, hogy egy második, úgynevezett transmonoknak nevezett qubitet vezettek be. (A transmonok egy gyakran használt qubittípus, amely egy szupravezető huzalhurokból és egy mikrohullámú rezonátorból áll, és olyan cégek használják, mint az IBM és a Google.) Ezeket a qubiteket egy lánc létrehozására használták, felváltva a macska-qubitek és a transmonok között. Ez lehetővé tette a csapat számára, hogy egy logikai, hibajavított qubitet hozzanak létre egy egyszerű hibajavító kód, az úgynevezett ismétlődési kód segítségével.
Itt minden macska-qubit ugyanabban az állapotban kezd, és összefonódik a szomszédos transmonokkal. Ez lehetővé tette a transmonok számára, hogy nyomon kövessék, mi történik a macska-qubitekben, úgynevezett gyenge mérések végrehajtásával. Ezek nem pusztítják el a kvantumállapotot, mint egy teljes mérés tenné, de lehetővé teszik a szomszédos macska-qubitekben bekövetkező változások észlelését, és biztosítják a szükséges információkat a hibák kijavításához.
Hol tartunk most?
Számos Amazonhoz hasonló vállalat fogad arra, hogy valamilyen módon kevésbé hibára hajlamos hardveres qubitek használata lehetővé teszi a hatékony hibajavítást kevesebb hardveres qubit felhasználásával. Ha igazuk van, képesek lesznek hibajavított kvantumszámítógépeket építeni jóval kevesebb qubittel, és így potenciálisan hamarabb végezhetnek hasznos számításokat. Számukra ez a tanulmány fontos igazolása ennek az elképzelésnek. Lehetséges egyfajta kevert módú hibajavítást végezni, ahol egy robusztus hardveres qubit párosul egy kompakt hibajavító kóddal.
A hardvernek még mindig kevésbé robusztus hardveres qubitekre (a transmonokra) kellett támaszkodnia a hibajavításhoz, és a nagyon alacsony hibaarány még mindig nem volt elég alacsony ahhoz, hogy elkerülje az alkalomszerű bitváltásokat. És végső soron, a logikai qubit méretének növelésével elért hibajavítási fejlesztHEZ irreálisan nagy számú hardveres qubitre lenne szükség.
Röviden szólva, az alapul szolgáló hardver jelenleg nem elég jó ahhoz, hogy bármilyen összetett számítást lehetővé tegyen, és radikális fejlesztésekre lenne szüksége, mielőtt képes lenne rá. És nincs egyértelmű alternatív út a hatékony hibajavításhoz. Ennek a megközelítésnek megvan a potenciálja, de nem világos, hogyan fogunk olyan hardvert építeni, amely megfelel ennek a potenciálnak.
