מסגרת חדשנית לתיקון שגיאות סוללת את הדרך למחשבים קוונטיים ניתנים להרחבה

חוקרים מבית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר פיתחו מחשב קוונטי חדש שמשתמש ב"אטומים הניתנים להגדרה מחדש". קיוביטים ניידים אלה יכולים לתקשר ביעילות עם שכנים מרובים, ולשפר את יכולות תיקון השגיאות.

א אוניברסיטת שיקגו הצוות יצר חדש מחשוב קוונטי מודל שמשתמש בפחות קיוביטים לתיקון שגיאות, שיפור היעילות והמדרגיות באמצעות קודי qLDPC חדשניים וניתנים להגדרה מחדש אָטוֹם מערכים.

הקיוביטים העדינים במחשבי קוונטים מספקים כלי חישובי רב עוצמה אך גם מהווים אתגר: כיצד יכולים מהנדסים ליצור מערכות קוונטיות מעשיות ומעשיות מביטים המופרעים בקלות רבה כל כך – ונמחקים מנתונים – על ידי שינויים זעירים בסביבתם?

מהנדסים נאבקו זה מכבר כיצד להפוך מחשבים קוונטיים לפחות מועדים לשגיאות, לעתים קרובות על ידי פיתוח דרכים לאיתור ותיקון שגיאות במקום למנוע אותן מלכתחילה. עם זאת, תוכניות רבות מסוג זה לתיקון שגיאות כוללות שכפול מידע על פני מאות או אלפי קיוביטים פיזיים בבת אחת, מה שהופך במהירות לקשה להרחיב בצורה יעילה.

כעת, צוות של מדענים בראשות חוקרים מבית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר (PME) באוניברסיטת שיקגו פיתח את התוכנית למחשב קוונטי שיכול לתקן שגיאות בצורה יעילה יותר. המערכת משתמשת במסגרת חדשה, המבוססת על קודי בדיקת צד קוונטי נמוך בצפיפות נמוכה (qLDPC) – שיכולה לזהות שגיאות על ידי התבוננות בקשר בין סיביות – כמו גם חומרה חדשה הכוללת מערכי אטומים הניתנים להגדרה מחדש, המאפשרת לקווביטים לתקשר עם יותר שכנים ולכן תנו לנתוני qLDPC להיות מקודדים בפחות קיוביטים.

"עם התוכנית המוצעת הזו, צמצמנו את התקורה הנדרשת לתיקון שגיאות קוונטי, מה שפותח אפיקים חדשים להגדלת מחשבים קוונטיים", אמר ליאנג ג'יאנג, פרופסור להנדסה מולקולרית ומחבר בכיר של העבודה החדשה, שפורסמה ב- פיזיקת הטבע.

רעש פנימי

בעוד שמחשבים סטנדרטיים מסתמכים על ביטים דיגיטליים – במצב מופעל או כבוי – כדי לקודד נתונים, קיוביטים יכולים להתקיים במצבי סופרפוזיציה, מה שנותן להם את היכולת להתמודד עם בעיות חישוביות חדשות. עם זאת, המאפיינים הייחודיים של קיוביטים גם הופכים אותם לרגישים להפליא לסביבתם; הם משנים מצבים על סמך הטמפרטורה הסובבת והאלקטרומגנטיות.

"מערכות קוונטיות רועשות באופן מהותי. אין באמת דרך לבנות מכונה קוונטית שלא יהיו בה שגיאות", אמר צ'יאן שו, סטודנט לתואר ראשון ב-PME שהוביל את העבודה החדשה. "צריך שתהיה לך דרך לבצע תיקון שגיאות אקטיבי אם אתה רוצה להגדיל את המערכת הקוונטית שלך ולהפוך אותה לשימושית עבור משימות מעשיות."

בעשורים האחרונים, מדענים פנו בעיקר לסוג אחד של תיקון שגיאות, הנקרא קודי שטח, עבור מערכות קוונטיות. במערכות אלו, אתה מקודד בו-זמנית את אותו מידע לוגי לביטים פיזיים רבים, המסודרים ברשת דו-ממדית גדולה. ניתן להסיק שגיאות על ידי השוואת קיוביטים לשכניהם הישירים. חוסר התאמה מצביע על כך שקיוביט אחד פעל לא נכון.

"הבעיה עם זה היא שאתה צריך תקורה של משאב ענק", אמר שו. "בחלק מהמערכות האלה, אתה צריך אלף קיוביטים פיזיים לכל קיוביט לוגי, אז בטווח הארוך אנחנו לא חושבים שנוכל להגדיל את זה למחשבים גדולים מאוד."

הורדת יתירות

במערכת החדשה שלהם, Jiang, Xu ועמיתיו באוניברסיטת הרווארד, Caltech, University of Arizona ו-QuEra Computing שאפו להשתמש בקודי qLDPC כדי לתקן שגיאות. סוג זה של תיקון שגיאות נשקל זמן רב, אך לא יושם בתוכנית ריאלית.

עם קודי qLDPC, הנתונים בקיוביטים מושווים לא רק לשכנים ישירים אלא גם לקיוביטים רחוקים יותר. זה מאפשר להשתמש ברשת קטן יותר של קיוביטים כדי להשיג את אותו מספר השוואות לתיקון שגיאות. עם זאת, סוג זה של תקשורת למרחקים ארוכים בין קיוביטים תמיד היה נקודת הדבקה ביישום qLDPC.

החוקרים המציאו פתרון בדמות חומרה חדשה: אטומים הניתנים להגדרה מחדש שניתן להזיז באמצעות לייזרים כדי לאפשר לקיוביטים לדבר עם שותפים חדשים.

"עם מערכות מערך האטומים הניתנות להגדרה מחדש של היום, אנו יכולים לשלוט ולתפעל יותר מאלף קיוביטים פיזיים בנאמנות גבוהה ולחבר קיוביטים המופרדים על ידי מרחק גדול", אמר הארי ג'ואו מאוניברסיטת הרווארד ו-QuEra Computing. "על ידי התאמת המבנה של קודים קוונטיים ויכולות החומרה הללו, נוכל ליישם את קודי ה-qLDPC המתקדמים יותר עם כמה קווי בקרה בלבד, ולהציב את מימושם בהישג יד עם מערכות הניסוי של היום."

כאשר שילבו קודי qLDPC עם מערכי אטומים ניטרליים שניתנים להגדרה מחדש, הצוות הצליח להשיג שיעור שגיאות טוב יותר מאשר שימוש בקודי שטח עם כמה מאות קיוביטים פיזיים בלבד. כאשר מגדילים, ניתן להשיג אלגוריתמים קוונטיים הכוללים אלפי קיוביטים לוגיים עם פחות מ-100,000 קיוביטים פיזיים – יעילים הרבה יותר מקודי פני השטח בתקן הזהב.

"עדיין יש יתירות במונחים של קידוד הנתונים במספר קיוביטים פיזיים, אבל הרעיון הוא שהפחתנו את היתירות הזו בהרבה", אמר שו.

המסגרת היא עדיין תיאורטית, אם כי מדענים מפתחים במהירות פלטפורמות של מערך אטומים שמתקדמים לעבר השימוש המעשי של חישוב קוונטי מתוקן שגיאות. צוות PME עובד כעת כדי לכוונן עוד יותר את התוכנית שלהם ולהבטיח שניתן להשתמש בקיוביטים הלוגיים המסתמכים על קודי qLDPC ומערכי אטומים הניתנים להגדרה מחדש בחישוב.

"אנחנו חושבים שבטווח הארוך זה יאפשר לנו לבנות מחשבים קוונטיים גדולים מאוד עם שיעורי שגיאה נמוכים יותר", אמר שו.