Miért nehéz javítani a hibákat kvantumszámítógépeken?
A hagyományos számítástechnikában a hibajavítás központi eleme, hogy minden bitből több másolat készül, így egy-egy hibát könnyen ki lehet szűrni. A kvantumbitekkel (qubittel) azonban ugyanez nem lehetséges, mivel nem lehet őket lemásolni, sőt, már a mérésük is összeomlasztja az állapotukat, így még az ellenőrzés is nehéz. Ráadásul a qubit-hibák jóval gyakoribbak.
Ezért kvantumszámítógépben a logikai qubiteket további, ún. fizikai qubithez kapcsolják. Ezek összefonódva hordozzák az információt. Hibaellenőrzéshez nem magukat a logikai qubiteket, hanem a hozzájuk kapcsolt fizikai qubiteket mérik, így a rendszer működése a háttérben folyamatos marad.
A 4D kód és a geometriai csavar
A Microsoft megközelítése abban is újszerű, hogy a 4D kód egy toroid (fánk alakú) négydimenziós rácson fut, amelyen a kvantumfolyamatok felületeit modellezik. Ezzel egy olyan öngyógyító kvantummemóriát hoznak létre, amely jelentősen csökkenti a hibák számát és a szükséges fizikai qubitek mennyiségét. A kód egyedisége abban rejlik, hogy a torusz geometriáját minden qubitnél csavarral módosítják, így ugyanannyi kódból nagyobb rendszereket tudnak lefedni, kevesebb összefonódással. Ez a csavar tovább növeli a detektálható kvantumállapotok terét, anélkül, hogy a tényleges folyamatok sérülnének.
Mérföldkő: új technika és qubitpótlás menet közben
A csapat kísérletben már igazolta az elméletét egy létező kvantumszámítógépen is, bár a tanulmányokat még nem értékelték lektorálással. Emellett egy másik újdonság, hogy menet közben sikerült kicserélni a qubiteknek megfelelő atomokat, anélkül hogy ezzel megzavarták volna a számításokat. Egyes rendszerekben ugyanis lézerrel csapdába ejtett semleges atomokat használnak qubitként, ezek viszont könnyen elveszhetnek – eddig ez végzetes hiba volt. Most azonban atomnyaláb segítségével menet közben, zavarás nélkül lehetett új atomot behelyettesíteni.
Verseny az IBM-mel a kvantumhiba-javításban
Ez a négydimenziós geometriai kódcsalád hatalmas előrelépést jelent a hibatűrésben, anélkül hogy brutális hardverbővítést kellene végrehajtani: kevesebb fizikai qubit, kevesebb energia, nagyobb pontosság. Nemrég az IBM is bemutatta saját, felülről lefelé építkező hibaellenőrzési módszerét, amely 2029-re ígér használható kvantumszámítógépet (A kvantumkor hajnalán – The Dawn of the Quantum Age). A Microsoft ezzel szemben alulról felfelé, modulárisan közelíti meg a hibatűrést, így lehetséges, hogy az új eljárás nemcsak saját hardverén, hanem más fejlesztéseknél is alkalmazható lesz. Az új kód megjelenése akár az utóbbi hetek második forradalmi áttörését jelentheti a kvantumhibajavításban.
