Rutgers i IBM informują o działającym w czasie rzeczywistym sterowaniu ze sprzężeniem zwrotnym na 100 kubitach
Naukowcy z Rutgers, IBM i współpracujących instytucji wykorzystali 156-kubitowy układ Heron, aby zademonstrować powtarzane pomiary i resetowanie na maksymalnie 100 kubitach.
Ta strona została przetłumaczona z angielskiego. Nazwy firm i produktów oraz linki do źródeł pozostają bez zmian. Przeczytaj oryginał po angielsku
Naukowcy z Rutgers, IBM i kilku instytucji partnerskich twierdzą, że zademonstrowali działające w czasie rzeczywistym kwantowe sprzężenie zwrotne na nawet 100 kubitach, wykorzystując powtarzane pomiary i resetowanie, podczas gdy procesor nadal pracował. Zgodnie z komunikatem prace przeprowadzono na 156-kubitowym procesorze IBM Quantum Heron i opisano je w badaniu opublikowanym w Nature Physics. Wynik ten dotyczy jednego z podstawowych wymogów odpornego na błędy przetwarzania kwantowego: zdolności do monitorowania części systemu i wielokrotnego ingerowania bez zatrzymywania obliczeń.
Co ogłoszono
Zespół podaje, że wykorzystał połączony łańcuch liczący do 100 kubitów na sprzęcie Heron firmy IBM, aby sprawdzić, czy procesor kwantowy może w czasie rzeczywistym przełączać się między dwoma zachowaniami: rozpraszaniem informacji między sąsiednimi kubitami oraz pomiarem, a następnie resetowaniem poszczególnych kubitów w celu tłumienia tego rozpraszania.
Łącznie eksperyment obejmował niemal 5,000 operacji dwukubitowych oraz niemal 5,000 pomiarów i resetów — wynika z raportu. Naukowcy opisują go jako największą jak dotąd udaną demonstrację tego rodzaju sterowania opartego na sprzężeniu zwrotnym.
Profesor Rutgers Jedediah Pixley, jeden ze starszych autorów publikacji, powiedział, że aby osiągnąć odporność na błędy, dziedzina będzie musiała wykonywać takie kontrole i korekty wielokrotnie w trakcie obliczeń. Starsza autorka z IBM Maika Takita powiedziała, że wyzwaniem było powtarzanie pomiarów, podczas gdy reszta procesora nadal działała, zamiast wstrzymywania całego systemu.
Szczegóły techniczne
W eksperymencie stworzono konkurencję między dwoma procesami. Jeden z nich rozprowadzał informację między sąsiednimi kubitami, prowadząc do coraz bardziej chaotycznej dynamiki. Drugi polegał na mierzeniu wybranych kubitów i ich resetowaniu, przesuwając system w kierunku uporządkowanego stanu wybranego przez badaczy.
Zmieniając częstość występowania każdego z tych procesów, zespół zaobserwował zachowanie progowe. Gdy rozpraszanie zachodziło częściej niż w połowie przypadków, system pozostawał chaotyczny. Gdy dominowały sprawdzanie i resetowanie, system przechodził do kontrolowanego, uporządkowanego reżimu. Przy niemal równowadze niewielka zmiana częstości obu procesów powodowała gwałtowną zmianę stanu systemu.
Zdaniem badaczy ta gwałtowna zmiana odpowiada obrazowi przejścia fazowego: układ kwantowy zbiorowo przełącza się od chaosu do kontroli. Współpierwszy autor Haining Pan powiedział, że przejście stawało się coraz wyraźniej zdefiniowane, gdy zespół badał większe układy, a dane eksperymentalne zgadzały się z przewidywaniami teoretycznymi.
Raport wyjaśnia również, dlaczego wynik ten ma znaczenie dla korekcji błędów. Informacji kwantowej nie da się po prostu skopiować, a pomiar może zaburzyć stan, na którym prowadzone są obliczenia. Praktyczna maszyna odporna na błędy musi więc wielokrotnie wykrywać i korygować błędy, zachowując jednocześnie zakodowaną informację.
Dlaczego to ważne
Komunikat przedstawia ten wynik zarówno jako demonstrację z zakresu fizyki, jak i kamień milowy w inżynierii systemów. Po stronie fizyki wspiera on teoretyczne przewidywanie, że powtarzane interwencje mogą wywołać przejście od niekontrolowanej dynamiki kwantowej do uporządkowanego, sterowalnego reżimu. Po stronie sprzętowej pokazuje, że współczesny nadprzewodzący sprzęt potrafi tysiące razy koordynować bramki kwantowe, pomiary i resety w dużym urządzeniu.
Nie oznacza to, że osiągnięto już odporne na błędy przetwarzanie kwantowe. Raport wyraźnie zaznacza, że nikt jeszcze nie zbudował odpornego na błędy komputera kwantowego. Jednak zdolność do przeprowadzania na dużą skalę powtarzanych cykli pomiaru i resetowania jest jednym z operacyjnych składników, których takie systemy będą wymagać.
Na co zwrócić uwagę
Kolejne pytanie brzmi, w jaki sposób techniki tego rodzaju przełożą się na pełne protokoły korekcji błędów, a nie jedynie kontrolowane eksperymenty fizyczne. Badanie sugeruje, że możliwości obwodów dynamicznych IBM mogą podtrzymywać długie sekwencje przeplatanych operacji na dużych podzbiorach kubitów, co ma znaczenie dla przyszłych demonstracji kubitów logicznych.
We współpracy uczestniczyli badacze z Rutgers, IBM, the City College of New York, the CUNY Graduate Center, Iowa State University, Ames National Laboratory, Pennsylvania State University i Louisiana State University. Jak podano w komunikacie, procesor pozwolił zespołowi badać układy znacznie większe niż około dwa tuziny kubitów, które mogli symulować na konwencjonalnych komputerach.
Źródła
Fakty na tej stronie pochodzą z poniższych źródeł, zebranych przez DesignQuantum.
- Rutgers And IBM Demonstrate Real-Time Control Across 100 Qubits thequantuminsider.com