Naukowcy osiągnęli kamień milowy w rozwoju fotonicznych komputerów kwantowych, demonstrując nową metodę zapobiegania błędom przed ich wystąpieniem. Stosując technikę znaną jako destylacja fotonów naukowcy udowodnili, że możliwe jest zmniejszenie poziomu „szumu” w systemach świetlnych, usuwając główną przeszkodę w tworzeniu pełnowymiarowych, odpornych na błędy komputerów kwantowych.
Zalety fotoniki i jej „pięta achillesowa”
Aby zrozumieć znaczenie tego przełomu, należy najpierw zrozumieć zasadniczą różnicę między dwoma wiodącymi rodzajami obliczeń kwantowych:
- Nadprzewodzące komputery kwantowe: Używaj obwodów elektronicznych do tworzenia kubitów. Pomimo swojej mocy generują ogromne ilości ciepła i wymagają ekstremalnego chłodzenia do temperatur bliskich zera absolutnego.
- Fotonowe komputery kwantowe: Wykorzystaj cząstki światła (fotony ) jako kubity. Ponieważ fotony są w ciągłym ruchu, generują bardzo mało nadmiaru ciepła, co potencjalnie pozwala takim systemom działać w temperaturze pokojowej.
Jednak ta mobilność to miecz obosieczny. Ponieważ fotony poruszają się z prędkością światła i oddziałują poprzez złożone ścieżki optyczne (lustra i rozdzielacze wiązki), są niezwykle delikatne. W systemach fotonicznych błędy często wynikają z „utraconych fotonów” – cząstek, które nie mogą prawidłowo oddziaływać z innymi i zasadniczo dryfują po systemie jako bezużyteczny szum.
Problem: błędy przed rozpoczęciem obliczeń
W większości systemów kwantowych korekcja błędów następuje po wystąpieniu błędu. Stwarza to problemy w systemach wykorzystujących światło, ponieważ często pojawiają się błędy nawet zanim foton zostanie przetworzony jako kubit.
Jak wyjaśnia Yelmer Renema, główny naukowiec w QuiX Quantum, obliczenia fotoniczne mają charakter probabilistyczny. Kiedy badacze manipulują światłem, w istocie manipulują prawdopodobieństwami. Bez możliwości odfiltrowania „złych” fotonów prawdopodobieństwo pomyślnego obliczenia spada z każdym nowym komponentem dodanym do systemu. W przypadku tradycyjnego skalowania dodanie nowych kubitów często wprowadza więcej błędów niż rozwiązuje, tworząc matematyczną barierę uniemożliwiającą zwiększanie rozmiarów i zwiększanie wydajności komputerów.
Rozwiązanie: destylacja fotonów
Przełom opisany w niedawnym badaniu obejmuje proces zwany kwantową destylacją fotoniczną. Zamiast próbować poprawić błędne obliczenia, metoda ta działa jak zaawansowany technologicznie filtr.
Jak to działa:
- Interferencja kwantowa: system wykorzystuje wyspecjalizowane obwody optyczne do wykorzystania efektu „interferencji kwantowej” – zjawiska, w którym łączą się prawdopodobieństwa różnych stanów kwantowych.
- Filtrowanie „nieuwzględnionych” fotonów: Obwód został zaprojektowany w taki sposób, że prawdopodobieństwo przejścia „złego” fotonu przez wyjście jest znacznie niższe niż prawdopodobieństwo przejścia „dobrego” fotonu.
- Skalowanie dodatnie: W procesie tym powstają fotony wysokiej jakości, zanim zostaną użyte do obliczeń.
Najważniejszym wnioskiem jest to, że technika ta pozwala osiągnąć „zmniejszenie poziomu błędu poniżej progu”. Oznacza to, że w miarę skalowania i zwiększania się złożoności systemu proces destylacji zmniejsza poziom błędów skuteczniej niż nowe komponenty go zwiększają.
Dlaczego jest to ważne dla przyszłości
Chociaż firmy takie jak Google osiągnęły już podobne „progi” dzięki procesorom nadprzewodzącym, jest to pierwszy raz, gdy takie osiągnięcie zostało zrealizowane w systemie opartym na świetle.
Konsekwencje tego są ogromne: jeśli badaczom uda się utrzymać wysokiej jakości kubity bez ogromnych „kosztów ogólnych” (wymagających kolosalnej ilości dodatkowego sprzętu do korygowania błędów), koszt i złożoność stworzenia uniwersalnego komputera kwantowego ulegną znacznemu zmniejszeniu. Dzięki temu obliczenia fotoniczne z możliwości teoretycznej stają się realną, skalowalną technologią zdolną do przewyższenia wydajności najpotężniejszych współczesnych superkomputerów.
Ten przełom dowodzi, że możemy przezwyciężyć „probabilistyczną” naturę światła i stworzyć przewidywalną, skalowalną architekturę dla systemów komputerowych nowej generacji.
Wniosek
Odfiltrowując błędy u samego źródła za pomocą destylacji fotonów, naukowcy wytyczyli ścieżkę w kierunku skalowania komputerów kwantowych wykorzystujących światło. To osiągnięcie sugeruje, że wysokowydajne obliczenia kwantowe w temperaturze pokojowej mogą być znacznie bliższe rzeczywistości, niż wcześniej sądzono.
