Pētnieki demonstrējuši, kā kvantu datorā aprēķinu laikā atkārtoti mērīt un atiestatīt kubitus, tādējādi ierobežojot procesorā radušos haotisko uzvedību. Eksperimentā izmantoti līdz 100 kubitiem, un rezultāts parādīja būtisku paņēmienu ceļā uz uzticamākiem kvantu datoriem.

Komandā bija zinātnieki no Ratgersa universitātes, IBM un vairākām sadarbības institūcijām. Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Nature Physics, un tie atklāja arī krasu pāreju starp haotisku un kontrolētu kvantu sistēmas uzvedību.

Kāpēc kvantu datoriem nepieciešama kļūdu labošana

Kvantu datori informāciju apstrādā citādi nekā tradicionālās skaitļošanas iekārtas. To kubiti var atrasties stāvokļu superpozīcijā, kas tiem piešķir iespējas, ko klasiskie biti tieši nespēj atdarināt. Vienlaikus šie stāvokļi ir ļoti trausli — tos var izjaukt mijiedarbība ar apkārtējo vidi un aparatūras nepilnības.

Kļūdas aprēķinu laikā var uzkrāties, padarot gala rezultātus neuzticamus. Tāpēc pētniekiem jāizstrādā sistēmas, kas aprēķinu turpināšanās laikā spēj šīs kļūdas pamanīt un labot. Šī pieeja, ko sauc par kvantu kļūdu labošanu, ir pamatā pret kļūmēm noturīgai kvantu skaitļošanai.

Haosa un kontroles sacensība

Komanda savu pieeju pārbaudīja ar IBM Quantum Heron procesoru, kurā ir 156 kubiti. Eksperimentam pētnieki izvēlējās savienotu ķēdi ar līdz 100 kubitiem un tajā pārmaiņus aktivizēja divus savstarpēji konkurējošus procesus.

Viens no tiem izkliedēja informāciju starp blakus esošiem kubitiem, vairojot nekārtību sistēmā. Otrs atkārtoti mērīja atsevišķus kubitus un atiestatīja tos iepriekš noteiktā stāvoklī. Eksperimentā tika veiktas gandrīz 5000 divu kubitu operāciju un gandrīz 5000 mērīšanas un atiestatīšanas ciklu. Tas ļāva pētīt, vai atkārtota iejaukšanās spēj apturēt informācijas izkliedēšanu.

Pētnieki mainīja abu procesu biežumu, lai noskaidrotu, kurš no tiem kļūst noteicošais. Ja informācijas izkliedēšana notika biežāk, sistēma palika haotiska. Savukārt biežāki mērījumi un atiestatīšana virzīja to uz sakārtotu un kontrolējamu stāvokli.

Visizteiktākās pārmaiņas parādījās tuvu 50–50 līdzsvaram starp abiem procesiem. Neliela relatīvā biežuma izmaiņa varēja izraisīt dramatisku pārmaiņu visā sistēmā. Fiziķi šādu parādību sauc par fāžu pāreju — kolektīvu sistēmas uzvedības maiņu, kas ir salīdzināma ar ūdens sasalšanu ledū.

Rezultāti stiprina kļūdu kontroles iespējas

Luiziānas štata universitātes fizikas asociētais profesors un viens no pētījuma līdzautoriem Džastins Vilsons skaidroja, ka nejaušas iejaukšanās var apspiest citādi neprognozējamu uzvedību. Pētnieki secināja arī, ka šī pāreja saglabājas kvantu sistēmā, lai gan līdz šim nebija skaidrs, vai tā tajā izdzīvos.

Rezultāti sakrita ar teorētiskajām prognozēm. Pāreja kļuva izteiktāka, pētniekiem analizējot lielākas sistēmas, kas liecina — efekts nav raksturīgs tikai maziem eksperimentāliem kvantu slēgumiem.

Reāllaika atgriezeniskā saite nākotnē varētu palīdzēt kvantu procesoriem kontrolēt kļūdas ilgstošu aprēķinu laikā. Pretēji vienreizējai korekcijai pret kļūmēm noturīgai iekārtai šādas darbības būtu jāatkārto daudzas reizes, neiznīcinot apstrādājamo informāciju.

IBM pētniece Maika Takita norādīja, ka eksperiments tūkstošiem reižu koordinēja kvantu operācijas, mērījumus un atiestatīšanu lielā sistēmā. Viņa šo spēju raksturoja kā nozīmīgu soli praktiskas kļūdu labošanas virzienā.

Komanda pārbaudīja arī sistēmas, kas bija lielākas par tām, ko pētnieki varēja simulēt ar tradicionālajiem datoriem. Šis salīdzinājums nostiprināja pārliecību par teorētisko skaidrojumu. Pētījumā piedalījās arī pētnieki no Ņujorkas pilsētas koledžas, Aiovas štata universitātes, Pensilvānijas štata universitātes un citām institūcijām.

Demonstrācija vēl nepierāda pilnībā pret kļūmēm noturīga kvantu datora izveidi. Tomēr tā parāda, ka mūsdienu aparatūra spēj atkārtoti iejaukties kvantu sistēmas darbībā, kamēr operācijas turpinās. Tas kvantu skaitļošanu pietuvina vienam no tās galvenajiem inženiertehniskajiem mērķiem — mērogojamai un praktiski izmantojamai kļūdu kontrolei.