Kvanttilaskenta lupaa ratkaista ongelmia, jotka ovat ulottumattomissa klassisia koneita, mutta polku käytännön, laajamittaisia laitteita on estetty hauraus krbittejä. Ympäristömelu, materiaalivirheet, ja valvonta epätarkkuudet tuovat virheitä, jotka nopeasti pilaavat laskelman. Tämän haurauden ratkaiseminen edellyttää vika-toleranssi laitteisto ja ohjelmisto, joka voi havaita ja korjata virheitä nopeammin kuin ne kerääntyvät. Tutkijat ympäri maailmaa ovat käynnissä erilaisia innovatiivisia strategioita.Topologisista kvanttipiireistä pintakoodeihin ja virhemitigointipiireihin . Jotta kvanttitietokoneet olisivat riittävän luotettavia reaalimaailman sovelluksiin.

Viansietokyvyn ymmärtäminen kvanttilaskenta

Kvanttilaskennan viansietokyky on järjestelmän kyky tuottaa oikeita tuloksia myös silloin, kun sen fyysiset osat .QEC tai portit. Tämä on paljon vaikeampaa kuin klassinen virhekorjaus, koska kvanttien on analoginen ja ne voivat kärsiä jatkuvista virheistä (esim. vaihesiirtymät tai amplitudien vaimentaminen). Lisäksi kaikki mittaukset tai vuorovaikutus virheiden havaitsemiseksi voi häiritä kvanttitilaa. Quantum virhekorjaus (QEC) ratkaisee tämän koodaamalla loogiset tiedot useissa fyysisissä qubiteissä, joissa käytetään toisiinsa kietoutuneita valtioita. Tunnetuin varhaisessa vaiheessa koodi, Shorin koodi, käyttää yhdeksää fysikaalista qubitiä yhden loogisen qubitin suojelemiseksi; Steanenenin koodi käyttää seitsemää. Moderneja lähestymistapoja kuten pintakoodit käyttävät monia useampia enemmän qubittejä, mutta tarjoavat korkeita kynnysarvoja.

Innovatiiviset lähestymistavat viansietokykyyn

Topologinen kvanttivirhekorjaus

Topologinen lähestymistapa koodaa tietoa maailmanlaajuisia ominaisuuksia monirunkojärjestelmän, kuten punominen anyons kaksiulotteisia lattices. Koska nämä ominaisuudet ovat immuuneja paikallisia perturbaatioita, topologinen qubits tarjoaa luonnostaan suojaa tietynlaisia melua. Yleisimmin tutkittu topologinen koodi on pintakoodi, mutta tutkijat ovat myös tutkimassa enemmän eksoottisia topologisia materiaaleja, mukaan lukien murto-quantum Hall järjestelmät ja topologinen breading toimintaa. Viimeaikaiset kokeet Delft ja Microsoft ovat osoittaneet allekirjoituksia Millanana nolla moodit .partikkelit, jotka ovat omia antipartikkeleita . Kuitenkin luoda ja manipulointi tällaisia valtioita lab edelleen äärimmäisen haastava. Nykyiset työ keskittyy rakennuksen vakaat topologinen lattics ja kehittää korkeanfidelin braiding toimintaa. Teoreettinen etu on, että topologinen qubits tarvitaan paljon vähemmän fyysistä qubits per looginen modes kuin tavanomaiset koodit, dramaattisesti vähentää yli. Kuitenkin luominen ja over.

Pintakoodit ja loogiset kvittit

Pinta koodit järjestää fyysinen qubits on 2D neliö lattice, jossa jokainen huippupiste edustaa qubit ja jokainen kasvo (plaquette) käytetään havaitsemaan virheitä kautta stabilointimittaukset. Tämä suunnittelu on houkutteleva, koska se edellyttää vain lähin-naapurin vuorovaikutusta, joka on yhteensopiva monien kvantti laitteistoalustojen (suprajohtava qubits, loukussa ions, jne.). Vuonna 2023, Google Quantum AI osoitti looginen qubit käyttäen etäisyys-5 pinta koodi 101 kbits, saavuttaa looginen virhenopeus pienempi kuin fyysinen virhenopeus ensimmäistä kertaa. Tämä läpimurto osoitti, että pintakoodit voivat todella tukahduttaa virheitä koodin etäisyys kasvaa. Jatko etenee sisältää kehitystä vika-tolerantti oireyhtymä lukemispiirejä ja käyttöä lippu qubits estää mittausvirheiden leviämisen.

Laitetason innovaatiot

Vaikka QEC-koodit ovat tarpeen, ne eivät riitä ilman laitteistoa, joka täyttää fyysisen virhekynnyksen. Tutkijat ovat aktiivisesti parantaneet Qbit-yhtenäisyysaikoja, portti uskollisuutta ja ristipuheiden vähentämistä. Suprajohtavien kbittien osalta materiaalitieteen kehitys on vähentänyt kahden tason järjestelmän virheitä, jotka rajoittavat johdonmukaisuutta. Esimerkiksi fluksoniumin krbittien käyttö on osoittanut johdonmukaisuutta yli 1 millisekunnin ajan. Samalla loukkuun jääneet kbittit saavuttavat jo erittäin korkeassa porttifäärissä (99.99%), mutta skaalautuminen moniin ioniin on edelleen vaikeaa. Lisäksi integroitujen elektronisten laitteiden, kuten kryogeenisten CMOS-ohjaajien, kehittäminen on suunniteltu vähentämään johdotuksen kompleksisuutta ja melua. Nämä laitteistoinnovaatiot vähentävät suoraan perusvirhettä, tekevät QEC-arvonsaakkeesta entistäkin tehokkaamman.

Virhe lähilaitteiden ohjauksessa

Näkyvien keskipakois-skaalaisten Quantum-laitteiden (NISQ) osalta täydellinen vikatoleranssi on kaukainen tavoite. Siksi virheenlieventämistekniikoita on kehitetty vähentämään järjestelmällisiä virheitä ilman QEC:n yläpäätä. Menetelmiä ovat nollamelun ekstrapolointi, probabilistinen virhe peruutus ja symmetriat kvanttipiireissä. Nämä lähestymistavat ajavat monia piirejä, joiden melutaso vaihtelee, ja käyttävät klassista jälkikäsittelyä, jotta saadaan aikaan ihanteellinen tulos. Vaikka ne eivät tarjoa täyttä vikatoleranssia, ne mahdollistavat mielekkäät laskelmat nykyisellä laitteistolla. Esimerkiksi IBM ja Rigetti ovat käyttäneet virheenpienennystä molekyylien energioiden laskemiseen ja optimointiongelmien ratkaisemiseen satojen porttien avulla.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Edistyksestä huolimatta useat haasteet ovat edelleen olemassa. Ratkaisevaa on vähentää fyysinen virhetaso valitun QEC-koodin raja-arvon alapuolelle. Pintakoodeissa kynnys on noin 1% depolarisoinnissa syntyvän melun osalta, mutta käytännössä melu korreloi eikä ole täysin depolarisoivaa, vaatii korkeampia raja-arvoja tai monimutkaisempia koodeja. Toinen haaste on yleiskustannukset: yksi looginen qubit saattaa tarvita tuhansia fyysisiä qubittejä, jolloin täysimittainen kvanttitietokone, jossa on miljoonia loogisia qubittejä, vaikuttaa astronomisesti kalliilta. Tämä on vauhdittanut tutkimusta matalan yliviivan koodeista, kuten värikoodeista, ja suorasta topologisesta suojasta, joka voisi poistaa aktiivisen virhekorjauksen tarpeen kokonaan. Lisäksi virhekorjaussyklien nopeuden on pysyttävä porttitoiminnon mukana; hidas QEC voi muuttua pullonkaulaksi.

Päätelmät

Innovatiivinen lähestymistapa vikatoleranssi kvanttilaskentalaitteistossa ulottuu eksoottisesta topologisesta qubitistä vankkaisiin pintakoodeihin ja ennakoivaan virheiden vähentämiseen. Jokainen strategia käsittelee haurauden haastetta eri osa-alueella, olipa kyse sitten siitä, että rakennetaan luonnostaan vakaita kvantteja, koodataan tietoja tarpeettomasti tai korjataan virheitä jälkikäteen. Parempien materiaalien, älykkäämpien koodien ja kehittyneiden ohjauselektroniikan lähentyminen työntää kenttää lähemmäs vikaa sietävää toimintaa. Vaikka täysimittainen virheiden korjaaminen on edelleen pitkän aikavälin tavoite, viiden viime vuoden aikana tapahtunut edistys on huomattavaa. Jatkuvat investoinnit tutkimukseen ja kehitykseen avaavat todennäköisesti tehokkaita kvanttitietokoneita, jotka pystyvät ratkaisemaan ongelmia salauksen, materiaalitieteen ja monimutkaisten järjestelmien alalla.

Lisätietoja: