Cuantica si calculul cuantic, computerele si procesoarele cuantice sunt pentru multa lume notiuni greu de inteles, care par desprinse dintr-un film S.F. Si cu toate astea utilitatea lor in viata reala este mai mare decat ne inchipuim. De aceea oameni de stiinta si cercetatori, specialisti in cuantica si calcul cuantic, computere cuantice incearca mereu sa perfectioneze procesele din spatele calculelor cuantice si sa le inteleaga pentru a depasi anumite bariere si a aduce o revolutie in stiinta si alte domenii unde e nevoie de calcul cuantic si computere cuantice. Recent, Microsoft si Quantinuum au reusit sa mai depaseasca o bariera in privinta corectarii de erori cuantice.
Construirea unui computer cuantic universal, cu milioane de biti cuantici coerenti care sa permita rularea de algoritmi complecsi nu este un proces atat de simplu. Calculul cuantic este foarte dificil din doua motive: „zgomot” si erori. Scopul sau este gasirea unor algoritmi mai rapizi decat cei clasici ce pot rezolva aceeasi probleme si a unor algoritmi ce rezolva probleme de calcul pe care nu ai cum sa le rezolvi in calculul clasic.
Zgomotul este format din toate lucrurile ce pot cauza interferenta in computerul cuantic, de exemplu semnale electromagnetice de la WiFi, tulburari aparute in campul magnetic al Terrei. Cand qubitii din computerul cuantic sunt expusi la zgomot informatia din ei se degradeaza la fel cum se intampla si cu sunetul degradat de interferente intr-un apel vocal-apare decoerenta.
Computerele cuantice sunt extrem de sensibile la orice fel de „zgomot”. Bitii cuantici incep sa fie randomizati intr-un timp extrem de scurt. Un algoritm cuantic executa multe operatii de-a lungul unui numar urias de qubiti.
Zgomotul determina randomizarea informatiei din qubiti si de aici apar si erori in algoritm. Cu cat avem o influenta mai mare a zgomotului, cu atat vom avea o rulare mai scurta pentru algoritm pana sa apara erori si output incorect sau rezultate complet inutile. La momentul de fata putem sa rulam cateva zeci de operatii pana sa apara zgomot si erori fatale…
Corectarea erorilor cuantice se realizeaza printr-un algoritm care identifica si repara erorile in computerele cuantice. Informatia cuantia stocata intr-un singur qubit este distribuita de-a lungul altor qubiti de suport, aceasta informatie este codata intr-un qubit logic.
Printr-o astfel de procedura se protejeaza integritatea informatiei cuantice originale chiar si cand ruleaza procesorul cuantic, dar cu un pret legat de cat de multi qubiti sunt necesari. Cu cat e zgomotul mai „mare” cu atat vei avea nevoie de mai multi qubiti. Codurile de corectare a erorilor cuantice sunt exemple de scheme ce aplica principiile din spatele procesului complex.
In functie de natura hardware si de tipul de algoritm ales pentru rulare raportul dintre numarul de qubiti fizici necesar pentru sustinerea unui singur qubit logic variaza, raportul actual fiind de 1000 la 1. Momentan in toata lumea oameni de stiinta si cercetatori incearca sa perfectioneze corectarea de erori cuantice pentru a deveni avantajos sa folosesti un astfel de proces raportat la cate resurse sunt necesare pentru el. Paradoxal, incercarea de a transforma computerele cuantice intr-un instrument util si viabil reduce resursele disponibile pentru a realiza orice cu o utilitate dovedita.
Microsoft si Quantinuum au anuntat recent o evolutie semnificativa in procesul de corectare a erorilor cuantice. Cu ajutorul unui hardware complex de la Quantinuum si sistemului de virtualizarea qubiti de la Microsoft echipa mixta a reusit sa ruleze peste 14.000 de experimente fara nicio eroare. Acelasi sistem a permis echipei sa verifice qubitii logici si sa corecteze rapid orice fel de erori fara sa distruga qubitii logici.
Deja incepem sa depasim incet, incet era computerelor NISQ (Noisy Intermediate Scale Quantum). Si cea mai mica schimbare din mediu poate sa duca la decoerenta mai ales ca actuala generatie de computere cuantice are multe limitari.
Fiecare qubit poate fi in acelasi timp in stari multiple si nu ajunge intr-o anumita pozitie pana la masurare. Nu conteaza cati qubiti ai daca nu ai timp sa rulezi algoritmi de baza inainte ca sistemul sa devina prea zgomotos ca sa ajungi la rezultate relevante sau la un rezultat macar.
Cu ajutorul mai multor tehnici diferite, echipa a rulat experimente dupa experimente fara nicio eroare, cel putin la modul virtual. A fost nevoie de pregatire, de preselectarea sistemelor in forma ca sa se ajunga la o rulare de succes, insa asistam la o imbunatatire masiva.
Da, e nevoie de o replicare a rezultatelor, dar teoretic un computer cu 100 de qubiti logici poate sa fie util in rezolvarea unor probleme, in vreme ce o masinarie, computer cu 1000 qubiti ar putea debloca un avantaj comercial urias.
S-a utilizat un procesor puternic si asa s-au putut combina 30 de qubiti fizici in patru qubiti logici pe care te puteai baza. Codarea de qubiti fizici multipli intr-un singur qubit logic ajuta la protejarea sistemului de erori. E foarte usor sa detectezi o eroare in qubitii fizici si sa o remediezi pe loc asa. Cu cat avem o calitate mai mare a qubitilor fizici si un zgomot redus, cu atat vom vedea si rezultate cu utilitate mai mare si calculele cuantice vor deveni mai complexe.
Si cand te gandesti ca in urma cu doar cativa ani qubitii logici au depasit ca performante qubitii fizici… Sistemele hardware/software moderne de la Microsoft si Quantinuum demonstreaza decalajul urias intre ratele de erori fizice si logice, imbunatatind doar folosirea de qubiti fizici cu 800x. E necesara o separare intre ratele erorilor legate de qubitii fizici si de cei logici, dar si corectarea de erori de circuit individuale.
Rezultatul cu adevarat exceptional din toata aceasta colaborare este tehnica „active syndrome extraction”, o modalitate simpla de a diagnostica o eroare si de a o corecta fara sa distrugi qubitii logici in acest proces complicat. Ramane ca restul comunitatii sa poata replica rezultatele si sa implementeze sisteme asemanatoare de corectare a erorilor cuantice.
Daca se vor combina corectarea erorilor oferita de Microsoft cu un computer cuantic foarte puternic si cu o abordare integrata vom vedea o evolutie notabila in aplicatiile cuantice pe masura ce ne indreptam spre procesoare cuantice disponibile si utile la scara larga.