Potenciální kvantový skok
Fyzici z Harvardu představili systém, který řeší dlouhodobou překážku nové generace superpočítačů. Sen o vytváření revolučních kvantových počítačů — superstrojů, které kód jou informace v jednotlivých atomech místo konvenčních bitů — byl brzděn značnou výzvou známou jako kvantová korekce chyb.
V článku publikovaném v pondělí ve vědeckém časopise Nature, výzkumníci z Harvardu demonstrovali nový systém schopný detekovat a odstraňovat chyby pod klíčovým prahovým výkonem, což potenciálně poskytuje použitelná řešení tohoto problému.
„Poprvé jsme zkombinovali všechny základní prvky pro škálovatelnou, chybám odolnou kvantovou výpočtovou architekturu,“ řekl Mikhail Lukin, spoluredaktor iniciativy kvantové vědy a inženýrství a senior autor nového článku. „Tyto experimenty — podle několika měření nejpokročilejší, které byly dosud provedeny na jakékoli kvantové platformě — vytvářejí vědecký základ pro praktické velkoplošné kvantové výpočty.“
V novém článku tým demonstroval „odolný vůči chybám“ systém za použití 448 atomových kvantových bitů, manipulovaných složitým způsobem technik pro detekci a opravu chyb.
Klíčové mechanismy zahrnují fyzickou provázanost, logickou provázanost, logickou magii a odstranění entropie. Například systém využívá trik „kvantové teleportace“ — přenos kvantového stavu jednoho částice na jinou, vzdálenou částici, bez fyzického kontaktu.
„Stále zbývá mnoho technických výzev, jak dosáhnout velmi velkého počítače s miliony qubitů, ale poprvé máme architekturu, která je konceptuálně škálovatelná,“ uvedl hlavní autor Dolev Bluvstein, Ph.D. ’25, který výzkum provedl během studií na Harvardu a nyní je asistentem profesora na Caltechu. „Bude to vyžadovat hodně úsilí a technického vývoje, ale začíná být jasné, že můžeme stavět kvantové počítače odolné vůči chybám.“
Spolupráce vedená Harvardem zahrnovala výzkumníky z MIT a společně ji vedli Lukin; Markus Greiner, profesor fyziky; a Vladan Vuletić, profesor fyziky na MIT. Tým provádí výzkum ve spolupráci se startupem QuEra Computing, který vznikl ve laboratořích Harvard-MIT, a s různými institucemi.
Nový článek představuje důležitý pokrok v třídecenním úsilí o kvantovou korekci chyb. Konvenční počítače kódují informace v binárním kódu nula a jedna. Kvantové počítače ukládají informace v subatomárních částicích, jejichž protiintuitivní vlastnosti kvantové fyziky mohou dosáhnout mnohem větší výpočetní síly.
V konvenčních počítačích je nejzákladnější jednotkou informace „bit“ (zkráceně pro binární číslo); v kvantových systémech je základní jednotkou „qubit“ (nebo kvantový bit). V konvenčních počítačích zdvojení počtu bitů zdvojnásobuje výpočetní výkon; v kvantových systémech přidání qubitů exponenciálně zvyšuje výkon díky jevu známému jako kvantová provázanost.
Teoreticky může systém 300 kvantových bitů uchovávat více informací, než je počet částic v známém vesmíru. S takovým obrovským výkonem mají kvantové počítače potenciál přinést průlomové výsledky v oblastech, jako je objevování léků, kryptografie, strojové učení, umělá inteligence, finance a design materiálů.
Ale existují překážky k dosažení tohoto revolučního potenciálu. Největší z nich je míra chyb. Qubity jsou inherentně náchylné k tomu, že opouští své kvantové stavy a ztrácejí svou uloženou informaci, což činí korekci chyb základní podmínkou pro dosažení velkých kvantových strojů.
V novém článku tým zkombinoval různé metody k vytvoření složitých obvodů s desítkami vrstev korekce chyb. Systém potlačuje chyby pod kritickým prahem — bodem, kdy přidání qubitů dále snižuje chyby, místo aby je zvyšovalo.
„Existovalo mnoho důležitých teoretických návrhů, jak byste měli implementovat korekci chyb,“ řekla Alexandra Geim, jedna z hlavních autorek nového článku a studentka doktorátu na Katedře fyziky. „V tomto článku jsme se skutečně zaměřili na pochopení toho, jaké jsou základní mechanizmy pro umožnění škálovatelného a hlubokého výpočetního obvodu. Pochopením toho můžete v podstatě odstranit věci, které nepotřebujete, snížit své náklady a dostat se rychleji do praktického režimu.“
Lukin uvedl, že roky experimentů ukázaly, jak překonat některé technické výzvy a vyhnout se jiným. „Uvědomujeme si, které z těchto úzkých míst jsou skutečné a která úzká místa lze jednoduše obcházet,“ řekl. „Na konci, fyzika je experimentální věda. Realizací a testováním těchto základních myšlenek v laboratoři skutečně začnete vidět světlo na konci tunelu.“
Výzkumníci po celém světě zkoumají různé platformy pro qubity, včetně různých typů atomů, iontů a supravodivých qubitů. Tým z Harvardu se specializuje na neutrální atomy (ty, které nemají elektrický náboj, protože mají stejný počet protonů a elektronů) prvku rubidium. Používají lasery k změně konfigurace elektronů, aby kódovali atomy na informace nesoucí qubity.
Hartmut Neven, viceprezident inženýrství v týmu Google Quantum AI, řekl, že nový článek byl publikován uprostřed „neuvěřitelně vzrušující“ soutěže mezi platformami qubitů. „Tato práce představuje významný pokrok k našemu společnému cíli vybudovat velkoškálový, užitečný kvantový počítač,“ řekl.
V září publikovala skupina Harvard-MIT-QuEra další článek v Nature, který demonstruje systém více než 3 000 qubitů, který mohl fungovat nepřetržitě více než dvě hodiny a překonat další technickou překážku ztráty atomů.
Vzhledem k nedávným pokrokům Lukin věří, že klíčové prvky pro stavbu kvantových počítačů se začínají skládat dohromady. „Tento velký sen, který mnozí z nás měli po několik desetiletí, je poprvé v přímém dohledu,“ řekl.
Tato výzkum byla finančně podporována z federálních grantů od různých institucí.
