Quantinuum demonstruje skalowanie korekcji błędów kwantowych daleko poza punkt równowagi

Image: Ars Technica · Source

Najnowszy procesor kwantowy z jonami uwięzionymi firmy Quantinuum znacząco poprawia wskaźniki błędów logicznych kubitów, osiągając dziesięciokrotną redukcję przy każdym wzroście odległości kodu korekcji błędów, co stanowi ważny postęp w wydajności korekcji błędów kwantowych.

Obliczenia kwantowe stoją przed fundamentalnym wyzwaniem: kubity są podatne na błędy spowodowane przez szumy środowiskowe i niedoskonałą kontrolę. Aby niezawodnie realizować algorytmy kwantowe, błędy te muszą być wykrywane i korygowane za pomocą kubitów logicznych, które łączą wiele kubitów fizycznych poprzez kody korekcji błędów. Skalowanie tych kubitów logicznych w celu obniżenia wskaźników błędów historycznie napotykało ograniczone sukcesy, ponieważ dodanie sprzętowych kubitów zwiększa złożoność i może wprowadzać więcej błędów, co hamuje poprawę wydajności.

Niedawno Quantinuum, lider w komputerach kwantowych z jonami uwięzionymi, zaprezentował nowe wyniki ze swojego procesora Helios, które oznaczają znaczący przełom w skalowaniu korekcji błędów kwantowych. W przeciwieństwie do wcześniejszych systemów, które wykazywały tylko umiarkowane ulepszenia — wskaźniki błędów spadały około dwukrotnie wraz ze wzrostem rozmiaru kodu — konfiguracja Quantinuum osiągnęła około dziesięciokrotną redukcję błędu logicznego kubitu przy każdym wzroście odległości kodu korekcji błędów.

System Helios wykorzystuje jony uwięzione i manipulowane za pomocą pól elektrycznych i laserów, co pozwala na splątanie dowolnych dwóch jonów, wspierając wszechstronne kody korekcji błędów. Firma zaimplementowała kody kolorowe o odległościach 3, 5 i 7, odpowiadające stopniowo większym grupom kubitów sprzętowych (odpowiednio 13, 37 i 73 kubity). Testy tych kodów w aplikacjach pamięci kwantowej, gdzie kubit logiczny utrzymuje swój stan, wykazały spadek wskaźników błędów z około 5×10⁻⁴ przy odległości 3 do 5×10⁻⁶ przy odległości 7, co wskazuje na solidne tłumienie błędów.

Kluczowym elementem tego rezultatu jest innowacja Quantinuum w zarządzaniu błędami wycieku — gdy kubity oddalają się do niezamierzonych stanów energetycznych — poprzez zastosowanie ukierunkowanych impulsów laserowych, które przywracają kubity do stanów obliczeniowych, zmniejszając wskaźnik błędów wycieku ponad sześciokrotnie. Dodatkowo, ich oprogramowanie dynamicznie zamienia wyciekające kubity danych z kubitami pomiarowymi, umożliwiając efektywne cykle korekcji błędów.

Zespół wykazał także zdolność systemu do wykonywania bramek logicznych na dwóch kubitach wewnątrz kubitów logicznych, co jest operacją bardziej wymagającą niż przechowywanie informacji kwantowej. Podczas gdy kod o odległości 3 wykazał niewielką poprawę na współczynnik błędów bramek, kod o odległości 5 znacznie je obniżył, podkreślając zdolność sprzętu do utrzymania niskich wskaźników błędów logicznych podczas obliczeń.

Choć te osiągnięcia są obiecujące, system obecnie wspiera tylko jeden kubit logiczny o odległości 7 jednocześnie, a najniższe wskaźniki błędów nadal przekraczają progi potrzebne do złożonych algorytmów kwantowych. Niemniej jednak tendencje skalowania sugerują, że dalsze ulepszenia sprzętowe mogą przynieść dramatyczne wzrosty niezawodności kubitów logicznych.

Postępy Quantinuum wskazują, że systemy z jonami uwięzionymi mogą wkrótce osiągnąć poziomy wydajności korekcji błędów potrzebne do praktycznych, dużych komputerów kwantowych, pod warunkiem że firma będzie nadal zwiększać liczbę kubitów i utrzymywać lub poprawiać wskaźniki błędów sprzętu. Kontrastuje to z innymi platformami obliczeń kwantowych, które muszą jednocześnie radzić sobie ze wskaźnikami błędów, liczbą kubitów i wyzwaniami integracji systemu. Wyniki Helios stanowią zatem ważny krok naprzód w dążeniu do komputerów kwantowych odpornych na błędy.