Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν στο μέλλον να λύνουν προβλήματα που ακόμη και οι ισχυρότεροι συμβατικοί υπερυπολογιστές δυσκολεύονται να αντιμετωπίσουν. Υπάρχει, όμως, ένα μεγάλο πρόβλημα: είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στα λάθη.
Η τεχνολογία τους βασίζεται σε κβαντικές καταστάσεις που μπορούν να διαταραχθούν ακόμη και από μικρές αλλαγές στο περιβάλλον τους. Έτσι, ένας υπολογισμός μπορεί να χάσει γρήγορα την ακρίβειά του. Για να το αποφύγουν, οι επιστήμονες πρέπει να αφιερώνουν σημαντικό μέρος της υπολογιστικής ισχύος στη διόρθωση των σφαλμάτων, αντί στην εκτέλεση των ίδιων των υπολογισμών.
Τώρα, ερευνητές της Google παρουσιάζουν μια νέα προσέγγιση που θα μπορούσε να κάνει τους κβαντικούς υπολογιστές πιο αξιόπιστους. Δοκιμάζοντας μια τεχνική με την ονομασία «καλλιέργεια μαγικών καταστάσεων» (magic state cultivation) στον κβαντικό επεξεργαστή Willow, κατάφεραν να μειώσουν τα σφάλματα κατά περίπου 40 φορές.
Οι κβαντικές καταστάσεις που παρήγαγαν είχαν πιστότητα τουλάχιστον 99,99%, δηλαδή βρίσκονταν εξαιρετικά κοντά στην κατάσταση που επιδίωκαν να δημιουργήσουν.
«Τα αποτελέσματά μας αποδεικνύουν πειραματικά ότι η καλλιέργεια μαγικών καταστάσεων αποτελεί μια βιώσιμη λύση σε μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις της κβαντικής υπολογιστικής», αναφέρουν οι ερευνητές στη μελέτη τους, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science.
Γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές κάνουν λάθη
Οι συμβατικοί υπολογιστές επεξεργάζονται πληροφορίες χρησιμοποιώντας bits, τα οποία έχουν μία από δύο τιμές: 0 ή 1. Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν qubits, τα οποία μπορούν να βρίσκονται σε έναν συνδυασμό αυτών των δύο καταστάσεων, ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική υπέρθεση.
Αυτή η ιδιότητα τους επιτρέπει να εκτελούν ορισμένους υπολογισμούς με τρόπους που δεν είναι διαθέσιμοι στους συμβατικούς υπολογιστές. Ταυτόχρονα, όμως, τους κάνει ιδιαίτερα ευάλωτους σε εξωτερικές παρεμβολές, οι οποίες μπορούν να αλλοιώσουν τις πληροφορίες που επεξεργάζονται.
Για να περιορίσουν τα λάθη, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συστήματα διόρθωσης σφαλμάτων, στα οποία πολλά φυσικά qubits συνεργάζονται για να προστατεύσουν την πληροφορία ενός πιο αξιόπιστου, λεγόμενου λογικού qubit.
Ωστόσο, ορισμένες από τις πιο σύνθετες πράξεις που χρειάζονται οι κβαντικοί υπολογιστές παραμένουν δύσκολο να εκτελεστούν χωρίς λάθη. Εδώ έρχονται οι λεγόμενες «μαγικές καταστάσεις».
Τι είναι οι «μαγικές καταστάσεις» και γιατί έχουν σημασία
Οι μαγικές καταστάσεις είναι ειδικά προετοιμασμένες κβαντικές καταστάσεις που βοηθούν τους υπολογιστές να εκτελούν πιο δύσκολες πράξεις, διατηρώντας παράλληλα την προστασία από τα σφάλματα.
Το πρόβλημα είναι ότι κάθε τέτοια κατάσταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μία φορά. Επομένως, οι κβαντικοί υπολογιστές χρειάζονται συνεχώς νέες, ενώ η προετοιμασία τους είναι μια δύσκολη και απαιτητική διαδικασία.
Μέχρι σήμερα, οι ερευνητές χρησιμοποιούσαν κυρίως μια μέθοδο που ονομάζεται «απόσταξη μαγικών καταστάσεων». Με απλά λόγια, ξεκινούν με πολλές ατελείς κβαντικές καταστάσεις και τις επεξεργάζονται, ώστε να κρατήσουν έναν μικρότερο αριθμό πολύ πιο αξιόπιστων.
Η διαδικασία λειτουργεί, αλλά απαιτεί σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους και εξειδικευμένο εξοπλισμό.
Το 2024, οι ερευνητές της Google άρχισαν να εξετάζουν μια διαφορετική προσέγγιση: αντί να δημιουργούν πολλές καταστάσεις και στη συνέχεια να επιλέγουν τις καλύτερες, επιχείρησαν να βελτιώνουν σταδιακά μία κατάσταση μέχρι να γίνει αρκετά αξιόπιστη.
Η διαφορά μπορεί να γίνει κατανοητή με ένα παράδειγμα από την κηπουρική. Η παραδοσιακή μέθοδος μοιάζει με την καλλιέργεια ενός ολόκληρου θερμοκηπίου με τριανταφυλλιές, ώστε να επιλεγούν στο τέλος τα καλύτερα άνθη. Η νέα μέθοδος μοιάζει με τη φροντίδα ενός μόνο φυτού, με συνεχή έλεγχο και παρεμβάσεις για να αναπτυχθεί όσο το δυνατόν καλύτερα.
Αν κάτι πάει στραβά, η προσπάθεια απορρίπτεται και ξεκινά από την αρχή. Στόχος δεν είναι απαραίτητα να παραχθεί μια καλύτερη κβαντική κατάσταση από εκείνες των παραδοσιακών μεθόδων, αλλά να επιτευχθεί αντίστοιχη ποιότητα με λιγότερους πόρους.
Μείωση των σφαλμάτων κατά 40 φορές, αλλά με έναν συμβιβασμό
Η ομάδα της Google δοκίμασε τη νέα τεχνική στον κβαντικό επεξεργαστή Willow και διαπίστωσε ότι μπορούσε να μειώσει τα σφάλματα κατά περίπου 40 φορές, δημιουργώντας καταστάσεις με πιστότητα τουλάχιστον 99,99%.
Υπήρχε, ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα. Για να πετύχουν αυτή την υψηλή αξιοπιστία στις πιο αυστηρές δοκιμές, οι επιστήμονες χρειάστηκε να απορρίψουν τις περισσότερες προσπάθειές τους. Μόλις το 8% των αποτελεσμάτων κρίθηκε κατάλληλο για να διατηρηθεί.
Παρά τον συγκεκριμένο περιορισμό, τα αποτελέσματα αποτελούν σημαντική ένδειξη ότι η μέθοδος μπορεί να λειτουργήσει σε πραγματικό κβαντικό επεξεργαστή και όχι μόνο σε θεωρητικό επίπεδο.
Ένα απρόσμενο πρόβλημα οδήγησε σε δεύτερη ανακάλυψη
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, οι ερευνητές αντιμετώπισαν ένα παράξενο πρόβλημα. Όταν η κβαντική φυσικός της Google Έμα Ρόζενφελντ δοκίμασε για πρώτη φορά την τεχνική, τα αποτελέσματα έμοιαζαν να αψηφούν τους νόμους της φυσικής, σύμφωνα με ανάρτηση της εταιρείας.
Χρειάστηκαν μήνες ερευνών για να βρεθεί η αιτία. Τελικά, η ομάδα ανακάλυψε ότι το πρόβλημα δεν βρισκόταν απαραίτητα στην ίδια την κβαντική κατάσταση, αλλά στον τρόπο με τον οποίο μετρούσε την ακρίβειά της.
Ακόμη και μικρές μεταβολές στον εργαστηριακό εξοπλισμό, όπως οι αλλαγές της θερμοκρασίας, δημιουργούσαν ανεπιθύμητες παρεμβολές που επηρέαζαν τις μετρήσεις. Έτσι, η συνηθισμένη μέθοδος δεν έδινε πλέον αξιόπιστα αποτελέσματα.
Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια νέα τεχνική, την οποία ονόμασαν «τομογραφία ανάκρουσης» (kickback tomography). Η μέθοδος αυτή τούς επέτρεψε να ελέγχουν την αξιοπιστία των κβαντικών καταστάσεων χωρίς τις παραμορφώσεις που επηρέαζαν τις προηγούμενες μετρήσεις.
Με αυτόν τον τρόπο, μια δυσκολία που αρχικά έμοιαζε να αμφισβητεί τα αποτελέσματα της έρευνας οδήγησε σε μια νέα μέθοδο μέτρησης.
Το επόμενο βήμα για τους κβαντικούς υπολογιστές
Οι ερευνητές κατάφεραν επίσης να μεταφέρουν μια μαγική κατάσταση που είχε δημιουργηθεί με τη νέα μέθοδο σε ένα μεγαλύτερο σύστημα διόρθωσης σφαλμάτων. Πρόκειται για ένα κρίσιμο βήμα, καθώς η τεχνική πρέπει να μπορεί να ενσωματωθεί σε μεγαλύτερα συστήματα για να χρησιμοποιηθεί σε πραγματικούς υπολογισμούς.
Ωστόσο, η μεταφορά αυτή δεν έγινε χωρίς προβλήματα. Το μεγαλύτερο σύστημα εισήγαγε πρόσθετα σφάλματα, τα οποία η ομάδα θα πρέπει να αντιμετωπίσει στη συνέχεια.
Παρά τις δυσκολίες, η έρευνα δείχνει ότι η καλλιέργεια μαγικών καταστάσεων μπορεί να αποτελέσει εναλλακτική λύση στις σημερινές μεθόδους, οι οποίες απαιτούν σημαντικούς πόρους.
«Τελικά, αυτά τα ευρήματα μετατρέπουν την καλλιέργεια μαγικών καταστάσεων από μια θεωρητική μελέτη σε πειραματική πραγματικότητα, προσφέροντας μια πρακτική οδό προς την υλοποίηση καθολικών λογικών πράξεων σε υπεραγώγιμους επεξεργαστές», γράφουν οι ερευνητές.
Η δυνατότητα εκτέλεσης αξιόπιστων κβαντικών πράξεων αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών γενικής χρήσης, οι οποίοι θα μπορούν να αντιμετωπίζουν ένα ευρύ φάσμα σύνθετων προβλημάτων.
Η ανακάλυψη της Google δεν λύνει ακόμη όλα τα προβλήματα της κβαντικής υπολογιστικής. Δείχνει, όμως, ότι είναι πιθανό να δημιουργηθούν πιο αξιόπιστες κβαντικές καταστάσεις με λιγότερους πόρους, φέρνοντας την τεχνολογία ένα βήμα πιο κοντά σε πρακτικές εφαρμογές.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Science.
Με πληροφορίες από το Sciencealert
