Ilmuwan membuat terobosan 'status ajaib' setelah 20 tahun – tanpanya, komputer kuantum tidak akan pernah benar -benar berguna
Di dunia pertama, para ilmuwan telah menunjukkan fenomena yang membingungkan Komputasi kuantum Itu bisa membuka jalan bagi mesin toleran kesalahan yang jauh lebih kuat daripada superkomputer mana pun.
Prosesnya, yang disebut “Distilasi Negara Sihir,” adalah yang pertama diusulkan 20 tahun yang lalutetapi penggunaannya dalam qubit logis telah menghindari para ilmuwan sejak saat itu. Sudah lama dianggap penting untuk menghasilkan sumber daya berkualitas tinggi, yang dikenal sebagai “negara-negara sihir,” yang diperlukan untuk memenuhi potensi penuh komputer kuantum.
Status ajaib adalah keadaan kuantum yang disiapkan sebelumnya, yang kemudian dikonsumsi sebagai sumber daya oleh algoritma kuantum yang paling kompleks. Tanpa sumber daya ini, komputer kuantum tidak dapat memanfaatkan hukum aneh mekanika kuantum untuk memproses informasi secara paralel.
Distilasi keadaan ajaib, sementara itu, adalah proses penyaringan yang dengannya status ajaib kualitas tertinggi “dimurnikan” sehingga dapat digunakan oleh algoritma kuantum yang paling kompleks.
Proses ini sejauh ini dimungkinkan pada qubit fisik yang sederhana dan rentan terhadap kesalahan tetapi tidak pada qubit logis-kelompok qubit fisik yang berbagi data yang sama dan dikonfigurasi untuk mendeteksi dan memperbaiki kesalahan yang sering mengganggu operasi komputasi kuantum.
Karena distilasi keadaan sihir dalam qubit logis sejauh ini belum mungkin terjadi, komputer kuantum yang menggunakan qubit logis belum secara teoritis dapat melebihi mesin klasik.
Terkait: Apa itu superposisi kuantum dan apa artinya untuk komputasi kuantum?
Namun, sekarang, para ilmuwan dengan Quera mengatakan mereka telah menunjukkan distilasi keadaan ajaib dalam praktik untuk pertama kalinya pada qubit logis. Mereka menguraikan temuan mereka dalam sebuah studi baru yang diterbitkan 14 Juli di jurnal Alam.
“Komputer kuantum tidak akan dapat memenuhi janji mereka tanpa proses distilasi keadaan ajaib ini. Ini adalah tonggak yang diperlukan.” Yuval BogerKepala Pejabat Komersial di Quera, mengatakan kepada Live Science dalam sebuah wawancara. Boger tidak terlibat secara pribadi dalam penelitian ini.
Jalur menuju komputasi kuantum toleran kesalahan
Penggunaan Komputer Kuantum qubit Sebagai blok bangunan mereka, dan mereka menggunakan logika kuantum – serangkaian aturan dan operasi yang mengatur bagaimana informasi kuantum diproses – untuk menjalankan algoritma dan memproses data. Tetapi tantangannya adalah menjalankan algoritma yang sangat kompleks sambil mempertahankan tingkat kesalahan yang sangat rendah.
Masalahnya adalah bahwa qubit fisik secara inheren “berisik,” yang berarti perhitungan sering terganggu oleh faktor -faktor seperti perubahan suhu dan radiasi elektromagnetik. Itulah mengapa banyak penelitian telah berpusat Koreksi kesalahan kuantum (QEC).
Mengurangi kesalahan – yang terjadi pada tingkat 1 dari 1.000 dalam qubit versus 1 dalam 1 juta, juta dalam bit konvensional – mencegah gangguan dan memungkinkan perhitungan terjadi dengan kecepatan. Di situlah qubit logis masuk.
“Agar komputer kuantum bermanfaat, mereka perlu menjalankan perhitungan yang cukup panjang dan canggih. Jika tingkat kesalahan terlalu tinggi, maka perhitungan ini dengan cepat berubah menjadi bubur atau menjadi data yang tidak berguna,” kata penulis utama studi studi Lagu SergioWakil Presiden Quantum Systems di Quera, mengatakan kepada Live Science dalam sebuah wawancara. “Seluruh tujuan koreksi kesalahan adalah untuk menurunkan tingkat kesalahan ini sehingga Anda dapat melakukan satu juta perhitungan dengan aman.”
Logis qubit adalah kumpulan qubit fisik terjerat yang memiliki informasi yang sama dan didasarkan pada prinsip redundansi. Jika satu atau lebih qubit fisik dalam qubit logis gagal, perhitungan tidak terganggu karena informasi ada di tempat lain.
Tetapi qubit logis sangat terbatas, kata para ilmuwan, karena kode koreksi kesalahan yang diterapkan pada mereka hanya dapat menjalankan “gerbang clifford”-operasi dasar dalam sirkuit kuantum. Operasi ini bersifat mendasar untuk sirkuit kuantum, tetapi mereka sangat mendasar sehingga dapat disimulasikan pada superkomputer mana pun.
Hanya dengan memanfaatkan negara-negara sihir berkualitas tinggi yang dapat menjalankan “gerbang non-CLIFFORD” dan terlibat dalam pemrosesan paralel sejati. Tetapi menghasilkan ini sangat padat sumber daya dan mahal, dan sejauh ini tidak dapat diraih dalam qubit logis.
Intinya, mengandalkan distilasi keadaan ajaib di qubit fisik saja tidak akan pernah mengarah pada Keuntungan kuantum. Untuk itu, kita perlu menyaring negara -negara sihir dalam qubit logis secara langsung.
Negara Sihir membuka jalan bagi kemampuan di luar superkomputer
“Negara -negara sihir memungkinkan kita untuk memperluas angka dan jenis operasi yang bisa kita lakukan. Jadi secara praktis, algoritma kuantum apa pun yang bernilai akan membutuhkan negara -negara ajaib,” kata Cantu.
Menghasilkan negara-negara sihir dalam qubit fisik, seperti yang telah kami lakukan, adalah tas campuran-ada negara-negara sihir berkualitas rendah dan berkualitas tinggi-dan mereka perlu disempurnakan. Hanya dengan begitu, mereka dapat memicu program yang paling kuat dan algoritma kuantum.
Dalam penelitian ini, menggunakan Gemini Netral-Atom Quantum Computerpara ilmuwan menyuling lima negara sihir yang tidak sempurna menjadi satu negara sihir yang lebih bersih. Mereka melakukan ini secara terpisah pada jarak-3 dan jarak-5 ubit logis, menunjukkan bahwa itu berskala dengan kualitas qubit logis.
“Jarak yang lebih besar berarti qubit logis yang lebih baik. Jarak-2, misalnya, berarti Anda dapat mendeteksi kesalahan tetapi tidak memperbaikinya. Jarak-3 berarti Anda dapat mendeteksi dan memperbaiki kesalahan tunggal. Jarak-5 akan berarti bahwa Anda dapat mendeteksi dan memperbaiki hingga dua kesalahan, dan sebagainya, dan sebagainya,” Boger menjelaskan. “Jadi semakin besar jarak, semakin tinggi kesetiaan qubit – dan kita menyamakannya dengan menyuling minyak mentah menjadi bahan bakar jet.”
Sebagai hasil dari proses distilasi, kesetiaan negara sihir terakhir melebihi input apa pun. Ini membuktikan bahwa distilasi keadaan sihir yang toleran terhadap kesalahan bekerja dalam praktik, kata para ilmuwan. Ini berarti bahwa komputer kuantum yang menggunakan qubit logis dan negara-negara sihir berkualitas tinggi untuk menjalankan gerbang non-CLIFFORD sekarang dimungkinkan.
“Kami melihat semacam perubahan dari beberapa tahun yang lalu,” kata Boger. “Tantangannya adalah: dapatkah komputer kuantum dibangun sama sekali? Lalu ia dapat terdeteksi dan diperbaiki? Kami dan Google dan yang lainnya telah menunjukkan bahwa, ya, itu dapat dilakukan. Sekarang ini tentang: dapatkah kita membuat komputer ini benar -benar bermanfaat? Dan membuat satu komputer benar -benar berguna, selain dari yang lebih besar, Anda ingin mereka dapat menjalankan program yang tidak dapat disimulasikan di komputer klasik.”
