Kvantové počítače o krok blíž realitě: Vědci výrazně zlepšili spolehlivost opravy chyb

Vědci z University of Sydney ve spolupráci s IBM dosáhli významného pokroku v oblasti kvantových počítačů. Identifikovali a kvantifikovali klíčové faktory, které omezují výkon těchto strojů, a zároveň demonstrovali způsoby, jak jejich negativní dopad překonat.

Vědci z University of Sydney ve spolupráci s IBM dosáhli významného pokroku v oblasti kvantových počítačů. Identifikovali a kvantifikovali klíčové faktory, které omezují výkon těchto strojů, a zároveň demonstrovali způsoby, jak jejich negativní dopad překonat. Tato zjištění, publikovaná v časopise Nature Communications, výrazně zlepšují porozumění vzniku chyb během kvantových výpočtů a mohou zásadně posílit spolehlivost kvantových technologií.

Profesor Stephen Bartlett z University of Sydney Nano Institute, který projekt vedl, zdůraznil, že kvantové počítače jsou stále velmi náchylné k „šumu“ neboli vnějšímu rušení a nestabilitě. To ztěžuje jejich škálování do podoby skutečně užitečných zařízení. Kvantové počítače slibují řešení problémů, které jsou mimo dosah konvenčních počítačů, jako je modelování složitých chemických systémů, návrh nových materiálů a léčiv nebo optimalizační úlohy. Jejich základní informační jednotky, kvantové bity (qubity), jsou však extrémně křehké a mohou ztrácet informace i kvůli nepatrným rušením z okolí.

Pro řešení těchto problémů využívají kvantové počítače systémy pro opravu chyb, které opakovaně kontrolují qubity během výpočtů. Některé fyzické qubity v systému jsou tak využívány k hledání chyb v qubitech zpracovávajících informace. Tyto kontroly však samy o sobě mohou zavádět nové chyby. Tým se zaměřil na roli měření uprostřed výpočtu, kdy jsou specifické qubity měřeny v průběžných fázích operace. Toto měření sice převádí qubity do klasických stavů, ale umožňuje ostatním qubitům udržet si koherenci a poskytuje okamžitou zpětnou vazbu pro řízení celkové operace.

Profesor Bartlett vysvětlil, že každé takové měření uprostřed výpočtu zabere čas a vše ostatní v operaci musí „čekat“, než je měření dokončeno. To představuje zásadní překážku, kterou však nelze obejít, neboť je nezbytným prvkem kvantové korekce chyb. V této studii se vědcům podařilo kvantitativně určit, jaký výkon je u těchto kontrol chyb zapotřebí, což je klíčové pro návrh škálovatelných a funkčních systémů. Pomocí 156qubitového supravodivého kvantového procesoru IBM Quantum Heron r2 testovali, jak různé metody opravy chyb zachovávají kvantové informace a umožňují kvantové logické operace. Přepracováním obvodů pro opravu chyb, aby se zkrátila doba „čekání“, výrazně zlepšili výkon. Upravený přístup zvýšil míru přežití logických qubitů z méně než 90 % na více než 96 % pro každý cyklus opravy chyb. Zjistili také, že šum způsobený měřením je jedním z dominantních omezení ovlivňujících spolehlivost kvantových logických operací na současných zařízeních.

Vedoucí autor Dr. Robin Harper zdůraznil, že výzkum se zaměřil na pochopení, proč selhávají kvantové operace s opravenými chybami. Kvantová korekce chyb je nezbytná pro budování velkých kvantových počítačů, ale přináší velmi složité inženýrské výzvy. Tým zjistil, že samotný akt měření qubitů během výpočtu může vytvářet nestabilitu. Přepracováním způsobu provádění těchto měření se jim podařilo výrazně zlepšit spolehlivost logických qubitů. Tato práce je přímým výsledkem spolupráce University of Sydney s IBM, oznámené v roce 2024, a navazuje na mezinárodní spolupráci s University College London. Profesor Bartlett dodal, že testování těchto myšlenek na pokročilém kvantovém hardwaru umožňuje lépe porozumět praktickým výzvám spojeným se škálováním kvantových výpočetních systémů. Taková spolupráce je zásadní pro vývoj kvantových technologií, které budou užitečné i mimo laboratoř.