Kohti omat virheensä korjaavia kvanttitietokoneita

Tämä edistysaskel on ratkaiseva askel kohti suurempien ja luotettavampien kvanttitietokoneiden rakentamista.

Nature Physics -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Rutgersin, International Business Machines Corp:n ja yhteistyöorganisaatioiden tutkijat osoittivat, että kvanttitietokone voi toistuvasti tarkistaa ja nollata osia itsestään toiminnan aikana. Koe on yksi tähän mennessä suurimmista reaaliaikaisen kvanttipalauteohjauksen demonstraatioista, ominaisuudesta, jota pidetään välttämättömänä tulevaisuuden vikasietoisille kvanttitietokoneille.

”Tämä koe on virstanpylväs vikasietoisen kvanttitietokoneen rakentamisen tiellä”, sanoi Jedediah Pixley, joka on myös yksi tutkimuksen vanhemmista kirjoittajista. ”Koe sanoo: 'Okei, olemme ottaneet jälleen tärkeän askeleen päästäksemme sinne.'”

Työ vahvisti myös kvanttimallien käyttäytymistä koskevan ennusteen. Kun tutkijat lisäsivät tietokoneen tarkistusten ja perustietojen tallennusyksiköiden, kubittien, nollaustiheyttä, järjestelmä siirtyi äkillisesti kaaoksesta hallittavaan tilaan, mikä osoittaa, kuinka järjestys voi syntyä epäjärjestyksestä.

Tutkijat suorittivat kokeen 156-kubittisella IBM Quantum Heron -prosessorilla. Ja he ohjelmoivat järjestelmän vuorottelemaan kahden kilpailevan tehtävän välillä.

Kun sekoittamista tapahtui yli puolet ajasta, kaaos voitti ja järjestelmä pysyi kaoottisena. Kun tarkistuksia ja nollauksia tehtiin useammin, hallinta voitti ja tutkijat pystyivät ohjaamaan kubitteja haluamaansa järjestyneeseen tilaan.

Noin 50–50 kohdalla pieni muutos siinä, kumpi tehtävä suoritettiin useammin, muutti yhtäkkiä koko järjestelmää. Fyysikot kutsuvat tällaista dramaattista muutosta faasimuutokseksi, kuten veden jäätymiseksi jääksi. Tässä tapauksessa kubitit siirtyivät yhdessä kaoottisesta käyttäytymisestä tilaan, jota tutkijat pystyivät hallitsemaan.

”Pienet muutokset voivat johtaa suuriin ja lähes mahdottomiin ennustaa seurauksiin, kuten klassiseen ajatukseen, että Afrikassa siipiään räpyttelevä perhonen voisi lopulta myötävaikuttaa Louisianaan iskevään hurrikaaniin”, sanoo Justin Wilson, Louisianan osavaltionyliopiston fysiikan apulaisprofessori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja.

”Mutta tämä hallitsematon käyttäytyminen voidaan saada hallintaan satunnaisilla toimilla, ja tällä on tarkasti määritelty nopeus. Ei ollut ilmeistä, että tämä siirtymä kaaoksen ja kontrollin välillä säilyisi kvanttifysiikassa, mutta tuloksemme osoittavat, että se säilyy.”

”Hämmästyttävää oli, että siirtymä tuli selkeämmin määriteltyä tutkiessamme suurempia järjestelmiä”, sanoi Haining Pan, Rutgersin postdoc-tutkija tutkimuksen aikaan ja yksi tutkimuksen ensimmäisistä kirjoittajista. ”Kokeen ja teorian välinen yhtäpitävyys osoitti, ettei kyseessä ollut pienen piirin sattumanvarainen ominaisuus. Kyse oli kollektiivisesta käyttäytymisestä, joka kehittyi koko kvanttijärjestelmässä.”

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat tunnistavat spin-kubittisten kvanttiprosessorien kohinan alkuperän

Kvanttilaskentaa ilman keskeytyksiä

Kvanttiprosessorin diagnostiikkaa