Pintakoodit virheitä korjaamaan

Jotta kvanttitietokoneet saavuttaisivat täyden potentiaalinsa, kvanttivirheiden korjauksen (QEC) tarve on väistämätön.

Lupaava lähestymistapa QEC:hen on pintakoodit, joissa kvanttitietokoneen elementtien väliset yhteydet voidaan visualisoida 2D-ruudukkokuviolla. Nämä koodit ovat lupaavia, koska ne ovat kokeellisesti yksinkertaisia toteuttaa ja koska ne voivat tietyissä olosuhteissa sietää suhteellisen suuria virhemääriä.

Mutta tähän asti pintakoodin esittelyt ovat vain havainneet virheitä, eivät korjanneet niitä.

Nyt kaksi ryhmää, joita johtavat Jian-Wei Pan Kiinan tiede- ja teknologiayliopistossa Hefeistä ja Andreas Wallraff Sveitsin liittovaltion teknologiainstituutista (ETH) Zürichistä ovat saavuttaneet kaikkien aikojen ensimmäisen virheenkorjauksen demonstraation pintakoodeilla. Tulokset johdattavat askeleen lähemmäksi käytännöllisen kvanttitietokoneen toteuttamista.

Virheenkorjaus edellyttää kvanttibittien tarkkailua, jotka voivat samanaikaisesti olla missä tahansa superpositiossa | 0 ⟩ ja | 1 ⟩tiloja.

Järjestelmään kuuluu yhden "loogisen" kubitin kvantti-informaation redundantti koodaaminen useiden "fyysisten" kubittien monen kappaleen lomittuneessa tilassa, jotta näiden kubittien väliset vertailut paljastavat, onko yksi tai useampi niistä muuttunut.

Tärkeää on, että nämä vertailumittaukset eivät paljasta minkään kubitin todellista arvoa - ne paljastavat vain, mikä kubitti, jos yhtään, on kärsinyt virheestä.

Yksi ensimmäisistä vaiheista onnistuneen virheenkorjauskoodin osoittamisessa on saavuttaa "nollatulos", tila, jossa loogisen kubitin elinikä on vähintään yhtä pitkä kuin parhaan korjaamattoman fyysisen kubitin. Tämä ehto on jo saavutettu tietyissä kvanttivirheenkorjausmenetelmissä mutta ei vielä menetelmissä, joihin liittyy pintakoodi. Tavoite edellyttää, että toimintojen virheprosentit ovat huomattavasti nykyistä pienemmät ja se voi vaatia kymmenien tuhansien luokkaa olevien kubittien käyttöä.

Huolimatta nollatuloksen saavuttamisen vaikeuksista, pintakoodi on edelleen houkutteleva lähestymistapa, koska sillä on pitkäaikainen mahdollisuus mahdollistaa täysin vikasietoinen kvanttitietokone.

Jos kvanttitietokoneen virheprosentti on alle tietyn kynnysarvon, jota kutsutaan vikasietokynnykseksi, niin koodi pystyy käsittelemään ympäristön aiheuttamien satunnaisten kubittivirheiden lisäksi myös tietokoneen ja virheenkorjauspiirien itse aiheuttamia epätäydellisiä toimintoja.

Tämän kynnysarvon alapuolella koodin koon kasvattaminen pienentäisi loogisen kubitin virhesuhteita mielivaltaisen alhaisiin arvoihin. Pintakoodit ovat tältä osin edullisia: ne kestävät korkeimman virhesuhteen kaikista vikasietoisista virheenkorjausmenetelmistä.

Nämä ensimmäiset pintakoodilla tehdyt virheenkorjauksen demonstraatiot eivät tuottaneet nollatuloa tai vikasietoisuutta, mutta tulokset osoittavat, että pintakoodit ovat edelleen lupaavia. Kokeet myös paljastivat nykytekniikan näkökohdat, jotka ovat suurimmat rajoittavat tekijät täysin vikasietoisen virheenkorjauskoodin saavuttamisessa.

Aiheesta aiemmin:

Piitä ja virheenkorjausta

Vikasietoinen kvanttitietokonemuisti timantissa