Κινέζοι ερευνητές πραγματοποίησαν ένα σημαντικό άλμα στην παγκόσμια κούρσα για τη δημιουργία πρακτικών κβαντικών υπολογιστών. Η ομάδα τους έγινε η πρώτη εκτός Ηνωμένων Πολιτειών – και η δεύτερη παγκοσμίως μετά την Google – που κατάφερε να ξεπεράσει ένα κρίσιμο όριο, το οποίο καθορίζει αν αυτές οι μηχανές μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα σε μεγάλη κλίμακα.
Ομάδα υπό την ηγεσία του Pan Jianwei, από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, ανακοίνωσε ότι ο υπεραγώγιμος κβαντικός υπολογιστής τους, ο Zuchongzhi 3.2, έφτασε στο “fault-tolerant threshold” (όριο αντοχής σε σφάλματα). Αυτό σημαίνει ότι η διόρθωση λαθών καθιστά το σύστημα πιο σταθερό, αντί για το αντίθετο, επιλύοντας ένα μακροχρόνιο πρόβλημα όπου η ίδια η διαδικασία διόρθωσης εισάγει νέα σφάλματα.
Η έρευνά τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο έγκριτο περιοδικό Physical Review Letters, βασίστηκε σε έλεγχο μέσω μικροκυμάτων, αντί για τις μεθόδους καταστολής σφαλμάτων που απαιτούν επιπλέον υλικό, όπως αυτές που χρησιμοποιεί η Google. Η κινεζική προσέγγιση “θα μπορούσε να προσφέρει έναν πιο αποδοτικό δρόμο από αυτόν της Google” για την κατασκευή μεγάλων, ανθεκτικών σε σφάλματα κβαντικών υπολογιστών, δήλωσε η ομάδα.
Ο Joseph Emerson, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Waterloo στον Καναδά, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα, χαρακτήρισε το πείραμα “εντυπωσιακό επίτευγμα”. Ωστόσο, τόνισε ότι η τεχνολογία απέχει ακόμη πολύ από την κλίμακα που απαιτείται για πρακτικές εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο, καθώς τα “qubits” (κβαντικά δυαδικά ψηφία) τείνουν να παρεκκλίνουν από τις επιθυμητές καταστάσεις τους, διασπείροντας σιωπηλά σφάλματα στο σύστημα.
Οι κβαντικοί υπολογιστές λειτουργούν αξιοποιώντας τους νόμους της κβαντικής φυσικής, αντί για την απλή λογική on-off των συμβατικών υπολογιστών. Θεωρητικά, αυτό τους επιτρέπει να επιλύουν ορισμένες εργασίες – όπως η βελτιστοποίηση σύνθετων συστημάτων ή η προσομοίωση μορίων – σε λίγα λεπτά, ενώ οι σημερινοί υπολογιστές θα χρειαζόταν χιλιάδες χρόνια.
Στην πράξη, όμως, οι κβαντικοί υπολογιστές αντιμετωπίζουν ένα θεμελιώδες εμπόδιο: την αστάθεια. Τα δομικά τους στοιχεία, τα qubits, είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στη θερμότητα, τον θόρυβο και τις ανεπαίσθητες διαταραχές από το περιβάλλον τους, προκαλώντας συνεχή σφάλματα κατά την κανονική λειτουργία.
Για να το αντιμετωπίσουν αυτό, οι επιστήμονες ανέπτυξαν την κβαντική διόρθωση σφαλμάτων, η οποία διανέμει την πληροφορία σε πολλά qubits και ελέγχει επανειλημμένα για προβλήματα. Αυτό, όμως, δημιουργεί ένα παράδοξο: κάθε επιπλέον qubit και κάθε πρόσθετος έλεγχος εισάγει νέες πηγές σφαλμάτων.
Για χρόνια, οι προσπάθειες διόρθωσης λαθών καθιστούσαν τα συστήματα λιγότερο αξιόπιστα, όχι περισσότερο. Γι’ αυτό, οι ερευνητές εστίασαν σε ένα κρίσιμο σημείο καμπής, γνωστό ως “error-correction threshold”. Κάτω από αυτό το όριο, η διόρθωση σφαλμάτων αποτυγχάνει και δημιουργεί περισσότερα λάθη από όσα αφαιρεί. Πάνω από αυτό, η ισορροπία αντιστρέφεται και η διόρθωση σφαλμάτων προσφέρει καθαρό όφελος, επιτρέποντας στα συστήματα να γίνονται πιο σταθερά καθώς μεγαλώνουν.
Τόσο η Κίνα όσο και οι ΗΠΑ επένδυσαν νωρίς στην κβαντική διόρθωση σφαλμάτων με χρήση “surface code”, μιας από τις πιο μελετημένες μεθόδους προστασίας κβαντικών πληροφοριών. Το 2022, η ομάδα του Pan χρησιμοποίησε έναν προηγούμενο επεξεργαστή, τον Zuchongzhi 2, για να επιτύχει μια ελάχιστη μονάδα διόρθωσης σφαλμάτων, γνωστή ως “logical qubit” από “distance-3 surface code”, ως αρχική απόδειξη της αρχής.
Την επόμενη χρονιά, η Google προχώρησε την τεχνική περαιτέρω, επιτυγχάνοντας διόρθωση σφαλμάτων από “distance-5 surface code”. Ωστόσο, και στις δύο περιπτώσεις, τα σχετικά υψηλά ποσοστά σφαλμάτων στα υποκείμενα qubits εμπόδισαν τα συστήματα να διασχίσουν πραγματικά το όριο.
Αυτό άλλαξε τον Φεβρουάριο, όταν η Google ανέφερε μια σημαντική ανακάλυψη χρησιμοποιώντας τον κβαντικό επεξεργαστή Willow. Καταστέλλοντας μια ιδιαίτερα επιβλαβή κατηγορία σφαλμάτων, γνωστή ως “leakage”, μέσω παλμών άμεσης συνεχούς τάσης, η Google έγινε η πρώτη ομάδα παγκοσμίως που επέτυχε έναν “logical qubit” από “distance-7 surface code” που λειτουργούσε κάτω από το όριο.
Αυτή η προσέγγιση, ωστόσο, θέτει αυστηρούς περιορισμούς στον σχεδιασμό των τσιπ και απαιτεί ολοένα και πιο σύνθετες καλωδιώσεις σε περιβάλλοντα εξαιρετικά χαμηλής θερμοκρασίας καθώς τα συστήματα κλιμακώνονται, σύμφωνα με την ομάδα του Pan.
Στη νέα μελέτη, οι Κινέζοι ερευνητές ακολούθησαν διαφορετική πορεία. Συνεργαζόμενοι με τον επεξεργαστή Zuchongzhi 3.2, που διαθέτει 107 qubits, ανέπτυξαν μια μέθοδο αποκλειστικά μέσω μικροκυμάτων για την καταστολή των σφαλμάτων “leakage”, χρησιμοποιώντας προσεκτικά χρονομετρημένα σήματα μικροκυμάτων αντί για πρόσθετους ελέγχους υλικού.
Συνδυάζοντας αυτήν την προσέγγιση με τη διόρθωση σφαλμάτων “surface code”, ο Pan και οι συνεργάτες του κατάφεραν να δημιουργήσουν έναν “logical qubit” από “distance-7”, αντιστοιχώντας την κλίμακα των πιο προηγμένων επιδείξεων της Google. Διαπίστωσαν ότι καθώς το σύστημα μεγάλωνε, το συνολικό ποσοστό σφαλμάτων μειωνόταν αντί να αυξάνεται.
Οι ερευνητές μέτρησαν έναν “παράγοντα καταστολής σφαλμάτων” 1,4, που σημαίνει ότι κάθε αύξηση στο μέγεθος του κώδικα διόρθωσης σφαλμάτων μείωνε τα λάθη αντί να τα ενισχύει, γεγονός που αποτελούσε σαφή απόδειξη ότι το σύστημα λειτουργούσε κάτω από το όριο.
Υποστηρίζουν ότι η μέθοδος αποκλειστικά μέσω μικροκυμάτων θα μπορούσε να προσφέρει πρακτικά πλεονεκτήματα καθώς οι κβαντικοί υπολογιστές μεγαλώνουν. Επειδή τα σήματα μικροκυμάτων μπορούν να πολλαπλασιαστούν, επιτρέποντας σε πολλαπλά σήματα να ταξιδέψουν σε ένα μόνο καλώδιο, η μέθοδος θα μπορούσε να μειώσει την πολυπλοκότητα της καλωδίωσης και το κόστος του υλικού, δύο σημαντικά εμπόδια στην κλιμάκωση των κβαντικών επεξεργαστών.
Συνολικά, τα αποτελέσματα υποδεικνύουν μια πιο ευέλικτη και δυνητικά πιο επεκτάσιμη διαδρομή προς τους “fault-tolerant” κβαντικούς υπολογιστές με εκατοντάδες χιλιάδες ή και εκατομμύρια qubits.
