Vědci dosáhli významného milníku ve vývoji fotonických kvantových počítačů tím, že předvedli novou metodu prevence chyb dříve, než k nim dojde. Pomocí techniky známé jako fotonová destilace vědci prokázali, že je možné snížit úroveň „šumu“ ve světelných systémech a odstranit tak hlavní překážku pro vytvoření plnohodnotných kvantových počítačů odolných vůči chybám.
Výhody fotoniky a její „Achilova pata“
Abychom pochopili význam tohoto průlomu, je nutné nejprve porozumět základnímu rozdílu mezi dvěma hlavními typy kvantových počítačů:
- Supravodivé kvantové počítače: K vytvoření qubitů použijte elektronické obvody. Navzdory své síle generují obrovské množství tepla a vyžadují extrémní chlazení na teploty blízké absolutní nule.
- Fotonové kvantové počítače: Používejte částice světla (fotony ) jako qubity. Protože jsou fotony v neustálém pohybu, generují velmi málo přebytečného tepla, což potenciálně umožňuje takovým systémům pracovat při pokojové teplotě.
Tato mobilita je však dvousečná zbraň. Protože se fotony pohybují rychlostí světla a interagují složitými optickými cestami (zrcadla a rozdělovače paprsků), jsou neuvěřitelně křehké. Ve fotonických systémech chyby často vznikají ze “ztracených fotonů” – částic, které nemohou správně interagovat s ostatními a v podstatě se systémem unášejí jako zbytečný šum.
Problém: chyby před zahájením výpočtů
Ve většině kvantových systémů dochází k opravě chyb poté, co již byla chyba provedena. To vytváří problémy pro systémy založené na světle, protože k chybám často dochází dokonce předtím, než je foton zpracován jako qubit *.
Jak vysvětluje Yelmer Renema, hlavní vědec společnosti QuiX Quantum, fotonické výpočty mají pravděpodobnostní povahu. Když výzkumníci manipulují se světlem, v podstatě manipulují s pravděpodobnostmi. Bez způsobu, jak odfiltrovat „špatné“ fotony, klesá pravděpodobnost úspěšného výpočtu s každou novou komponentou přidanou do systému. Při tradičním škálování přidávání nových qubitů často přináší více chyb, než řeší, čímž vytváří matematickou bariéru, která brání počítačům stát se většími nebo efektivnějšími.
Řešení: fotonová destilace
Průlom popsaný v nedávné studii zahrnuje proces zvaný kvantová fotonická destilace. Namísto snahy o opravu chybného výpočtu tato metoda funguje jako high-tech filtr.
Jak to funguje:
- Kvantová interference: Systém využívá specializované optické obvody k využití efektu „kvantové interference“, jevu, při kterém se kombinují pravděpodobnosti různých kvantových stavů.
- Odfiltrování „nezapočtených“ fotonů: Obvod je navržen tak, že pravděpodobnost, že výstupem projde „špatný“ foton, je mnohem nižší než pravděpodobnost, že projde „dobrý“ foton.
- Pozitivní škálování: Tento proces produkuje vysoce kvalitní fotony před použitím pro výpočet.
Nejdůležitější závěr je, že touto technikou lze dosáhnout „snížení chybovosti pod prahovou hodnotu“. To znamená, že jak se systém zvětšuje a stává se složitějším, destilační proces snižuje chybovost efektivněji, než ji zvyšují nové komponenty.
Proč je to důležité pro budoucnost
Zatímco společnosti jako Google již dosáhly podobných „prahů“ se supravodivými procesory, je to poprvé, kdy byl takový úspěch realizován v systému založeném na světle.
Důsledky toho jsou obrovské: pokud výzkumníci dokážou udržovat vysoce kvalitní qubity bez obrovských „režií“ (vyžadujících kolosální množství dodatečného hardwaru k opravě chyb), výrazně se sníží náklady a složitost vytvoření univerzálního kvantového počítače. To posouvá fotonické výpočty z teoretické možnosti na životaschopnou, škálovatelnou technologii schopnou překonat dnešní nejvýkonnější superpočítače.
Tento průlom dokazuje, že dokážeme překonat „pravděpodobnostní“ povahu světla a vytvořit předvídatelnou, škálovatelnou architekturu pro další generaci výpočetních systémů.
Závěr
Odfiltrováním chyb u samotného zdroje pomocí fotonové destilace vědci naplánovali cestu k škálování kvantových počítačů založených na světle. Tento úspěch naznačuje, že vysoce výkonné kvantové výpočty při pokojové teplotě mohou být mnohem blíže realitě, než se dříve myslelo.
