Zinātnieki ir atraduši efektīvu risinājumu kvantu skaitļošanas problēmai.
Lai pārvarētu problēmas kvantu skaitļošanā, ko izraisa troksnis un traucējumi, zinātnieki no Kvantu skaitļošanas centra (AWS) Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā ierosina izmantot jaunu mikroshēmu Ocelot, kas izmanto "kaķu kubitus". Šis ir īpašs kubitu veids, kas sola būtiski samazināt kļūdu skaitu kvantu skaitļošanas laikā.
Tradicionālajām kvantu sistēmām nepieciešami tūkstošiem papildu kubitu, lai labotu kļūdas, taču "kaķu kubitu" izmantošana var to skaitu samazināt par 90%. Kvantu datori, kas darbojas uz kvantu mehānikas principiem, sola revolucionārus izrāvienus medicīnas, materiālzinātņu, kriptogrāfijas un fundamentālās fizikas jomās.
Neskatoties uz ievērojamo potenciālu specializētos fizikas pētījumos, kvantu datori joprojām ir ļoti neaizsargāti pret kļūdām un pārāk jutīgi pret ārējiem traucējumiem. Tie ir ļoti jutīgi pret vibrācijām, siltuma ietekmi, elektromagnētiskiem traucējumiem un pat starojumu no kosmosa.
AWS pētnieki demonstrēja jaunu kvantu mikroshēmas arhitektūru, lai pārvarētu traucējumus, izmantojot īpašus kubitus, kas zināmi kā "kaķa kubits". Šis kubita veids pirmo reizi tika ierosināts jau 2001. gadā un kopš tā laika ir būtiski uzlabots.
Zinātnieki izveidoja pirmo mērogojamo mikroshēmu no "kaķu kubitiem" un nosauca to par Ocelot par godu plankumainajam savvaļas kaķim. Nosaukums arī atsaucas uz iekšējā "oscilatora" tehnoloģiju
sistēma, kas veic svārstības, t.i., kuras rādītāji periodiski atkārtojas laika gaitā., kas ir kaķa kubitu pamatā.
"Lai kvantu datori būtu veiksmīgi, mums ir nepieciešams, lai kļūdu biežums būtu aptuveni miljardu reižu mazāks nekā tagad. Kļūdu biežums samazinās aptuveni uz pusi ik pēc diviem gadiem. Pie šāda izkārtojuma mums būtu vajadzīgi 70 gadi, lai sasniegtu to, ko vēlamies. Tā vietā mēs izstrādājam jaunu mikroshēmas arhitektūru, kas varētu mums palīdzēt to sasniegt ātrāk. Tomēr tas ir tikai agrīns celtniecības bloks. Mums vēl daudz jādara," skaidro Kalifornijas Tehnoloģiju institūta Pielietotās fizikas un fizikas profesors dži Džona G. Brauna vārdā un AWS kvantu aparatūras vadītājs Oskars Peinters.
Tāpat kā klasiskie datori, kvantu datori arī izmanto divu vērtību kodu no vieniniekiem un nullēm, tajā pašā laikā saglabājot šīs vērtības superpozīcijas stāvoklī. Tas ļauj tiem vienlaikus saglabāt visas šo ciparu kombinācijas. Tomēr kvantu datori joprojām ir ļoti neaizsargāti un viegli var zaudēt šo superpozīcijas stāvokli.
Klasiskajos datoros tiek izmantoti papildu liekie biti, lai aizsargātu datus no kļūdām. Piemēram, viens informācijas bits to kopē uz trim biti, tāpēc jebkuram bitam ir divi rezerves partneri. Ja viens no šiem biti ir kļūdains (veic 1 uz 0 vai no 0 uz 1), bet divi citi nav, vienkāršu kodu – minētajā gadījumā tā saukto trīsbitu atkārtošanas kodu – var izmantot kļūdas atklāšanai un neregulārā bita atjaunošanai.
Sakarā ar kvantitatīvās superpozīcijas stāvokļa uzturēšanas sarežģītību, kubitiem var būt divu veidu kļūdas: bitu maiņas, tāpat kā klasiskajās digitālajās sistēmās, un fāžu maiņas, kurās kubita stāvokļi 1 un 0 nav fāzē (vai nav sinhronizēti) cits ar citu.
Pētnieki ir izstrādājuši daudzas stratēģijas šo divu veidu kļūdu apstrādei kvantu sistēmās. Tomēr šīs metodes prasa lielu skaitu papildu rezerves kubitu. Patiesībā mūsdienu kvantu datori varētu prasīt tūkstošiem papildu kubitu, lai nodrošinātu vēlamo kļūdas aizsardzības līmeni.
"Mēs atrodamies ilgtermiņa meklējumos izveidot noderīgu kvantu datoru, kas varētu paveikt to, ko nevar pat labākie superdatori, taču to mērogošana ir milzīga problēma. Tāpēc mēs izmēģinām jaunas kļūdu labošanas pieejas, kas samazinās pieskaitāmo izdevumu," norāda pētījuma līdzautors, Kalifornijas Tehnoloģiju institūta Teorētiskās fizikas profesors un AWS pielietotās zinātnes direktors Fernando Brandaō
Kā "kaķu kubiti" varētu samazināt kļūdu skaitu kvantu skaitļošanas laikā
Jaunā stratēģija balstās uz kubita tipu, kas veidots no supravadošām ķēdēm. Šīs ķēdes ir izveidotas no mikroviļņu oscilatoriem, kuros stāvokļi 1 un 0, kas apzīmē kubitu, tiek noteikti kā divas dažādas visaptverošas svārstību amplitūdas. Tādēļ kubiti ir ļoti stabilā stāvoklī un kļūst neaizsargāti pret bitu maiņas kļūdām.
"Iedomājieties divus svārstību stāvokļus, līdzīgi kā bērns uz šūpolēm, kas šūpojas ar augstu amplitūdu, taču šūpojas vai nu pa kreisi, vai pa labi. Vējš var pacelties un šūpot šūpoles, taču svārstību amplitūda ir tik liela, ka tās nevarēs strauji pārslēgties no viena šūpošanās virziena uz citu," uzsvēra Oskars Peinters.
Patiesībā "kaķu kubitu" nosaukums attiecas uz šo kubitu spēju vienlaikus pieņemt divus ļoti lielus vai makroskopiskus stāvokļus – tāpat kā slavenais kaķis Ervina Šrēdingera iedomātajā eksperimentā, kurš var būt vienlaikus gan miris, gan dzīvs. Vienīgās kļūdas, kas palikušas labot, ir fāzes maiņas kļūdas. Un tikai viena veida kļūdu labošana nozīmē, ka pētnieki var izmantot atkārtošanas kodu, līdzīgi kā tos, kas tiek izmantoti bitu maiņas kļūdu labošanai klasiskajās sistēmās.
Mikroshēmā Ocelot tiek apvienoti pieci "kaķu kubiti" un speciālas buferu ķēdes to svārstību stabilizēšanai, kā arī četri papildu kubiti fāzes kļūdu noteikšanai.
Vienkāršs komandas atkārtošanas kods ir efektīvs fāzes rotācijas kļūdu noteikšanā un uzlabojas, palielinot kodu no trim "kaķu kubitiem" līdz pieciem. Turklāt fāzes kļūdu noteikšanas process tika realizēts tā, lai uzturētu augstu bitu rotācijas kļūdu iespaiduma līmeni "kaķu kubitos".
Pētījums publicēts žurnālā Nature
Avots: Scitechdaily
Komentāri (0)
Šobrīd nav neviena komentāra