Hibajavítás egyetlen qubiten belül
A kvantumszámítógépek fő akadálya eddig az volt, hogy a kvantumbitek rendkívül érzékenyek a külső hatásokra, például hőmérsékletre, rezgésekre vagy elektromágneses zavarokra – még akkor is, ha majdnem abszolút nulla fokra (mínusz 273 °C) hűtik őket. Ezért a kvantumplatformok általában sok tucat vagy akár száz fizikai qubitet kombinálnak, hogy létrehozzanak egyetlen logikai qubitet, amely képes önjavításra és az adatok megőrzésére hibák esetén.
A Nord Quantique azonban olyan megoldást fejlesztett ki, amelyben egyetlen fizikai szerkezeti elem, egy speciálisan tervezett szupravezető alumínium rezonátor – az úgynevezett bosonikus rezonátor – önmagában is teljes értékű logikai qubitként működik. Ez radikálisan csökkenti a számítógép hardver- és energiaigényét, hiszen nincs szükség nagy mennyiségű fizikai qubitre a hibajavításhoz.
Bosonikus rezonátor és multimodális hibajavítás
A rendszer lelke egy abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékletre hűtött bosonikus rezonátor, amelyben fényrészecskék (fotonok) tárolják a kvantuminformációt különféle elektromágneses mintázatokban. Ezeket a mintázatokat, az ún. módusokat multimodális kódolással használják ki: az információ egyszerre több módusban van eltárolva, így ha az egyik sérül, a többi alapján visszaállítható a helyes állapot. Ez lehetővé teszi, hogy minden qubit belső hibajavítással rendelkezzen, és közvetlenül megfeleltethető legyen egy fizikai egység egy logikai qubitnek.
Bosonikus kódként egy Tesseract nevű hibajavító eljárást alkalmaznak, amely felismeri és javítja a bit- és fáziseltolódásokat, irányítási hibákat vagy az úgynevezett szivárgást is – ez utóbbi különösen nehéz, mert ilyenkor a qubit olyan állapotba kerül, ami már nem része a számításnak.
Kompakt, energiatakarékos működés
A kutatók szerint egy 1000 logikai qubites Nord Quantique-gép mindössze 20 négyzetmétert foglal majd el az adatközpontban, és csak töredékét fogyasztja annak az energiának, amit a mai csúcskapacitású rendszerek, ami jelentős előny a növekvő áramdíjak mellett. Számításaik szerint például egy 1000 logikai qubites kvantumszámítógép képes feltörni egy 830 bites RSA-titkosítást egy óra alatt, ehhez 120 kWh energiát használva fel, míg egy hagyományos szuperszámítógépnek erre 9 napra és 280 000 kWh energiára lenne szüksége.
A rendszer stabilitását is igazolták: a qubit 32 egymás utáni hibajavítási cikluson keresztül változatlan maradt, a kísérleteknek pedig csupán 12,6 százalékát kellett kizárni nem megfelelő viselkedés miatt.
Bemutató 2029-ben, áttörés 2031-re?
A Nord Quantique először egy 100 logikai qubites gépet mutat be 2029-ben, majd 2031-re érkezhet a teljes, 1000 qubites szuperszámítógép. Ezek a gépek egyrészt sokkal kisebb helyet foglalnak el, másrészt az energiafogyasztásuk is töredéke lesz a mai nagy rendszerekének, ami rendkívül vonzóvá teszi őket az adatközpontok és a nagy teljesítményű számítástechnika (HPC) számára.
