Квантовият компютър се научи да поправя грешките си

Физиците откриха начин да преодолеят главната бариера към създаването на пълноценен квантов компютър.

Учените са разработили квантова схема, която умее самостоятелно да поправя своите грешки.

Когато най-накрая успее да създаде пълнофункционален квантов компютър, човечеството ще встъпи в нова ера на изчислителните възможности.

По изчислителна мощ дори един квантов компютър от няколкостотин квантови бита (кюбита) в някои задачи може да „сложи в джоба си“ всички съвременни компютри, взети заедно.

Но създаването на такъв компютър е изключително сложно, тъй като квантовата система е много възприемчива към външни въздействия, поради което възникват множество грешки, нарушаващи работата на квантовия компютър.

„Един от най-големите проблеми на квантовите изчисления е това, че кюбитите по своята природа са „непоправими“, разказва един от авторите на изследването – аспирантът Джулиан Кели от Калифорнийския университет в Санта Барбара. – Кюбитите мигновено „забравят“ цялата информация, която искате да съхраните в квантовия компютър.“

С други думи, за надеждни квантови изчисления е необходимо много пъти да се възпроизвежда и съхранява стабилното състояние на кюбитите. Но как да стане това, ако дори измерването на това състояние нарушава стабилността на цялата система?

За разлика от класическата схема на изчисления, където битовете информация определят вариантите „да“ или „не“ (0 или 1), квантовите компютри използват кюбити, способни едновременно да съществуват във всички позиции едновременно.

Именно това свойство, наречено суперпозиция, дава на квантовите компютри феноменалната изчислителна мощ. Но суперпозицията води до неконтролируема мигновена смяна на състоянието на кюбита, затова квантовите компютри е сложно да се управляват.

За решаването на този проблем екип учени начело с Джулиан Кели разработил специална квантова схема от девет кюбита, които търсят грешки в системата. Допълнителните кюбити отговарят за съхраняването на информацията, съдържаща се в съседните кюбити.

В случай на откриване на грешки схемата ги поправя. По такъв начин информацията се съхранява по-дълго, отколкото с използването на единичен кюбит.

Принципът на работа на схемата заобикаля ограниченията по ненамеса в състоянието на кюбита. Всяко измерване на състоянието на кюбита води към това, че той губи суперпозиция и се оказва в едно „фиксирано“ състояние, което нарушава работата на квантовия компютър.

Новата система използва алгоритъм, разработен от физика Остин Фаулер. За поправянето на грешките той използва не дублирани данни, както в обикновените компютри, а изчислява вероятното състояние на основните кюбити въз основа на измерването на състоянието на съседните кюбити.

Самият Фаулер сравнява алгоритъма с решаването на судоку: „Може да се извлече достатъчно информация, за да се открият грешки, но няма необходимост „да се надниква под капака на машината“ и да се нарушава суперпозицията на основните кюбити“.

Според разработчиците тяхната конструкция на квантов компютър се явява първият пример за квантово устройство, способно надеждно да съхранява и обработва информация.

Естествено, схемата с допълнителните кюбити усложнява конструкцията на квантовия компютър – за сложни изчисления се изискват до 10 млн. кюбита, докато днес прототипите на квантовите компютри имат ядро едва от 512 кюбита.

И все пак без системата за коригиране на грешки квантовият компютър е неработоспособен.