Calculatoarele cuantice ar putea să își corecteze singure greșelile. Ce au descoperit cercetătorii într-un experiment

O echipă de cercetători din Statele Unite a demonstrat experimental că erorile din calculatoarele cuantice ar putea fi controlate printr-un sistem de verificare și resetare repetată. Studiul, publicat în revista științifică Nature Physics, prezintă rezultatele unor teste efectuate pe un procesor cuantic IBM. Experimentul a implicat până la 100 de qubiți conectați simultan și mii de operațiuni succesive. Rezultatele reprezintă un progres în dezvoltarea calculatoarelor cuantice capabile să identifice și să corecteze erorile în timpul procesării informațiilor.

Calculatoarele cuantice ar putea identifica și corecta erorile în timpul operațiunilor

Calculatoarele cuantice sunt considerate o tehnologie cu un potențial ridicat de procesare a informațiilor, însă sistemele disponibile în prezent sunt încă prototipuri de dimensiuni relativ reduse, cu limitări importante în privința performanței și a stabilității operațiunilor.

Deși aceste dispozitive ar putea depăși capacitățile calculatoarelor clasice în rezolvarea anumitor probleme complexe, dezvoltarea lor depinde de depășirea unor dificultăți tehnice. Una dintre cele mai importante este implementarea toleranței la erori, respectiv capacitatea sistemului de a detecta și corecta problemele fără întreruperea calculelor.

Cercetătorii americani au prezentat în Nature Physics rezultatele unui experiment care demonstrează parțial posibilitatea realizării acestor corecții în timp real. Echipa a construit un sistem experimental bazat pe două procese succesive: introducerea dezordinii în sistemul cuantic și restabilirea controlului asupra acestuia.

Mecanismul reproduce un principiu esențial pentru dezvoltarea calculatoarelor cuantice tolerante la erori, în care verificările și intervențiile trebuie efectuate continuu, pe parcursul operațiunilor.

„Pentru a construi un computer cuantic tolerant la erori, trebuie să facem aceste verificări și corecții nu doar o dată sau de două ori, ci de un număr imens de ori în timpul unui calcul. Acest experiment este un punct de reper pe acest drum. Spune: ok, am făcut încă un pas important pentru a ajunge acolo”, a explicat fizicianul Jedediah Pixley, de la Universitatea Rutgers din Statele Unite.

De ce sunt qubiții vulnerabili la erori și cum funcționează procesarea cuantică

Diferența fundamentală dintre calculatoarele clasice și cele cuantice constă în modul în care acestea reprezintă și prelucrează informațiile, o particularitate care explică atât potențialul tehnologiei, cât și dificultățile întâmpinate în dezvoltarea sa.

Calculatoarele obișnuite utilizează biți, care pot avea una dintre două valori: 0 sau 1. În schimb, calculatoarele cuantice funcționează cu qubiți, unități de informație care pot exista într-o suprapunere de stări cuantice, asociate valorilor 0 și 1, până în momentul măsurării.

Această proprietate, împreună cu alte fenomene specifice mecanicii cuantice, permite realizarea unor operațiuni de calcul diferite de cele utilizate în sistemele clasice și oferă avantaje potențiale pentru anumite categorii de probleme.

Totuși, qubiții sunt extrem de sensibili la influențele mediului exterior. Variațiile de temperatură, mișcările și alte perturbări fizice pot modifica stările cuantice și pot produce erori în timpul procesării informațiilor.

Din acest motiv, identificarea și corectarea erorilor reprezintă condiții esențiale pentru construirea unor calculatoare cuantice mai mari, capabile să execute operațiuni complexe în mod fiabil.

Experimentul IBM a utilizat un procesor cu 156 de qubiți și aproape 5.000 de operațiuni

Pentru verificarea metodei propuse, echipa de cercetare a utilizat un procesor IBM Quantum Heron, care dispune de 156 de qubiți, dintre care până la 100 au fost conectați simultan în cadrul experimentului.

Cercetătorii au programat sistemul să execute alternativ două tipuri de operațiuni. Prima, denumită scrambling, presupune distribuirea informației cuantice în sistem, generând o dinamică tot mai complexă. A doua constă în efectuarea unor verificări și resetări, prin care cercetătorii urmăresc readucerea sistemului într-o stare controlată.

Principala dificultate tehnică a constat în repetarea măsurătorilor și a resetărilor fără oprirea activității celorlalți qubiți, astfel încât procesorul să poată continua executarea operațiunilor cuantice.

„Provocarea nu a fost pur și simplu de a măsura un qubit, ci de a face acest lucru în mod repetat în timp ce restul procesorului continua să funcționeze. Acest experiment arată că hardware-ul actual poate coordona operațiuni cuantice, măsurători și resetări de mii de ori într-un sistem mare”, a declarat fizicianul Maika Takita, de la IBM.

Pe parcursul testelor, specialiștii au modificat proporția dintre operațiunile de distribuire a informației și cele de verificare și resetare, pentru a determina condițiile în care sistemul poate reveni la o stare ordonată.

Experimentul a inclus aproape 5.000 de operațiuni aplicate qubiților și aproximativ 5.000 de verificări și resetări. Datele au indicat că ordinea putea fi restabilită atunci când verificările și resetările reprezentau mai mult de jumătate din totalul operațiunilor.

Cercetătorii au identificat o tranziție de fază între haos și control

Rezultatele experimentului au evidențiat un comportament colectiv al sistemului cuantic, care a devenit mai clar pe măsură ce cercetătorii au crescut numărul qubiților implicați în operațiuni.

Mai exact, punctul în care sistemul trecea de la o dinamică dominată de dezordine la una controlată a devenit tot mai bine definit în datele experimentale.

Specialiștii au interpretat acest comportament drept o tranziție de fază cuantică, un fenomen comparabil, din perspectiva schimbării colective a stării sistemului, cu transformarea apei în gheață.

Observațiile au fost susținute și de concordanța dintre rezultatele experimentale și predicțiile teoretice, ceea ce indică faptul că fenomenul nu reprezintă doar o particularitate a unui circuit cuantic de dimensiuni reduse.

„Concordanța dintre experiment și teorie a arătat că aceasta nu a fost o caracteristică accidentală a unui circuit mic. A fost un comportament colectiv care a apărut în sistemul cuantic”, a explicat fizicianul Haining Pan, de la Universitatea din Florida.

Calculatoarele cuantice ar putea fi utilizate în medicină, meteorologie și inteligență artificială

Dezvoltarea calculatoarelor cuantice urmărește în principal rezolvarea unor probleme care presupun un volum foarte mare de operațiuni și care sunt dificil de abordat prin metodele convenționale de calcul.

Aceste sisteme nu sunt considerate, cel puțin în viitorul apropiat, înlocuitori ai calculatoarelor personale utilizate în locuințe sau birouri. Aplicațiile lor potențiale vizează în special domeniile în care sunt necesare simulări și procesări complexe.

Printre utilizările avute în vedere se numără cercetarea și dezvoltarea medicamentelor, modelarea fenomenelor meteorologice, simularea proprietăților materialelor și anumite aplicații ale inteligenței artificiale.

Un alt rezultat al studiului privește legătura dintre comportamentul sistemelor cuantice și principiile matematice utilizate în studiul haosului.

Teoria haosului descrie modul în care modificări foarte mici ale condițiilor inițiale pot produce diferențe majore în evoluția ulterioară a unui sistem. Un exemplu cunoscut este cel al efectului fluturelui, ilustrat prin posibilitatea ca bătaia aripilor unui fluture în Brazilia să influențeze, în anumite condiții teoretice, apariția unei tornade în Texas.

Experimentul arată că mecanismele matematice asociate raportului dintre dezordine și control pot descrie și comportamentul unor sisteme cuantice, nu doar al celor clasice.

Sistemul de verificare și resetare trebuie extins pentru utilizarea în calculul cuantic

Metoda demonstrată de cercetătorii americani reprezintă o etapă experimentală, nu un sistem complet de corectare a erorilor cuantice care poate fi implementat imediat în calculatoare de mare capacitate.

Pentru utilizarea practică, mecanismul de verificare și resetare va trebui extins și adaptat unor reguli mai complexe, necesare identificării și corectării erorilor în timpul calculelor.

În forma actuală, experimentul permite testarea unor bucle de feedback prin care sistemele cuantice pot fi menținute într-o stare controlată, chiar și atunci când sunt supuse unor procese care favorizează apariția dezordinii.

Cercetătorii au constatat că intervențiile repetate pot împiedica extinderea comportamentului haotic, iar eficiența acestui mecanism depinde de frecvența cu care sunt efectuate operațiunile de control.

„Comportamentul scăpat de sub control poate fi ținut sub control prin intervenții aleatorii, iar acest lucru se întâmplă într-o anumită rată”, a declarat fizicianul Justin Wilson, de la Universitatea de Stat din Louisiana.

„Nu era evident că această tranziție între haos și control va supraviețui în fizica cuantică, dar rezultatele noastre arată că da”, a explicat cercetătorul.