Kohina rajoittaa nykypäivän kvanttipiirejä

Uusi EPFL:n liittyvä teoreettinen tutkimus osoittaa, kuinka nykyisten kvanttitietokoneiden kohina rajoittaa niiden piirien todellista työmäärää ja miten tämä vaikuttaa koulutukseen ja simulointiin.

Kysymys kuuluu, onko monimutkaisten ketjujen rakentaminen edelleen järkevää, jos kohina on väistämätöntä ja lopulta tuhoisaa?

Tutkijaryhmä on nyt tehnyt laajan teoreettisen analyysin siitä, miten kohina vaikuttaa kvanttipiireihin. Heidän löydöksensä osoittavat, että kohina asettaa yllättävän tiukan käytännön rajan sille, kuinka syviä tällaiset piirit voivat olla – toisin sanoen kuinka monta vaihetta kvanttipiirissä voidaan soveltaa peräkkäin – ja samalla helpottaa niiden osien simulointia klassisilla tietokoneilla.

Työtä johtivat tutkijat Armando Angrisani ja Yihui Quek EPFL:stä, Antonio Anna Mele Berliinin vapaasta yliopistosta ja Daniel Stilck França Kööpenhaminan yliopistosta. Se on julkaistu Nature Physics -lehdessä.

Tutkijat analysoivat suuria kvanttipiiriperheitä, jotka koostuivat yksinkertaisista kahden kubitin operaatioista, joissa realistinen kohina vaikutti jokaiseen yksittäiseen kubittiin jokaisen vaiheen jälkeen. He käsittelivät ongelmaa matemaattisesti seuraamalla, miten kunkin kerroksen vaikutus etenee piirissä, kun kohinaa on läsnä.

Analyysi osoitti, että useimmissa kohisevissa kvanttipiireissä vain viimeiset vaiheet ovat todella tärkeitä. Vaikka piiri rakennettaisiin hyvin syväksi, kohina pyyhkii vähitellen pois aiempien vaiheiden vaikutuksen.

Tämä tarkoittaa, että jos käytämme kvanttitietokonetta fyysisen suureen, kuten kubitin energian tai tilan, arvioimiseen, tulos riippuu pääasiassa siitä, mitä tapahtuu aivan piirin lopussa. Aiemmat operaatiot "häipyvät muistista" kohinan kertyessä.

Tutkimuksessa havaittiin myös, että tämä selittää, miksi näitä kohinaisia piirejä voidaan edelleen säätää tai "kouluttaa" yksinkertaisiin tehtäviin. Piirin asetusten muuttaminen voi edelleen muuttaa lopputulosta, mutta vain siksi, että viimeiset kerrokset pysyvät aktiivisina. Tämän seurauksena syvä kohinainen piiri käyttäytyy kuin paljon pinnallisempi.

Tutkimus selventää, mitä lyhyen aikavälin kvanttikoneet voivat realistisesti tarjota. Useampien kerrosten pinoaminen kohiseville piireille ei todennäköisesti avaa uusia tehoja yleisiin tehtäviin paikallisten mittausten perusteella. Pikemminkin edistyminen riippuu paremmasta kohinanhallinnasta tai huolellisesti suunnitelluista malleista, jotka hyödyntävät tiettyjä kohinan ominaisuuksia.

Työssä varoitetaan myös, että kohisevat piirit pysyvät koulutettavissa vain siksi, että kohina on jo heikentänyt suurimman osan niiden tehosta, ja todellisen laitteistokohinan käsitteleminen yksinkertaisena sumennuksena voi johtaa vääriin odotuksiin.

Aiheesta aiemmin:

Kohinan hallintaa kvanttitietokoneille