Cat qubity a kvantová korekce chyb: důležitý krok ke kvantovým počítačům v praxi

Amazon Web Services (AWS) představil nový prototyp kvantového čipu nazvaný Ocelot. Inženýři AWS zásadně změnili přístup k základům stavby kvantových čipů, ať už jde o větší množství kvantových bitů (neboli qubitů) nebo efektivnější korekci šumu. Podle jejich odhadů by to mohlo urychlit veřejnou dostupnost kvantových počítačů až o pět let.

Začněme od začátku – jak fungují kvantové počítače? Hlavní rozdíl mezi kvantovými a konvenčními počítači spočívá v typu ukládání dat. „Klasické“ počítače používají bity, ve kterých je informace uložena jako 1 nebo 0. Kvantové počítače používají k provádění výpočtů kvantové bity, také známé jako qubity — obvykle elementární částice jako elektrony nebo fotony. Díky tomu mohou vědci aplikovat přesně načasované a vyladěné elektromagnetické pulzy k manipulaci s takzvaným „kvantovým stavem“ qubitu, kde může být současně 1 i 0. Což jim umožňuje řešit některé důležité problémy exponenciálně rychleji, než by kdy dokázal klasický počítač.

V čem je háček? Schopnosti qubitů revolučně zvyšují dostupnou výpočetní sílu, ale mají také jednu vlastnost, která komplikuje jejich praktické využití: jsou neuvěřitelně citlivé. Jejich kvantový stav může být změněn vibracemi, teplem, mobilními a Wi-Fi sítěmi, a dokonce i kosmickým zářením nebo radiací z vesmíru. Podle Oskara Paintera, ředitele kvantového hardwaru AWS, „největší výzvou není jen vybudovat více qubitů, ale také zajistit jejich spolehlivé fungování.“ K odstranění vnějších „šumů“ jsou informace v kvantových počítačích uloženy najednou v mnoha qubitech, čímž vznikají takzvané „logické qubity“. To umožňuje korekci chyb. Počet qubitů nezbytných pro spolehlivé a bezchybné výpočty však zároveň vede k extrémně vysokým nákladům na tuto technologii.

Jak AWS plánuje urychlit dostupnost kvantových počítačů? „Podívali jsme se na to, jak přistupují ke kvantové korekci chyb ostatní, a rozhodli jsme se jít jinou cestou,“ říká Painter. „Nepostupovali jsme tak, že bychom vzali existující architekturu a poté se snažili začlenit korekci chyb. Vybrali jsme náš qubit a architekturu s kvantovou korekcí chyb jakožto hlavním požadavkem. Věříme, že pokud chceme vytvořit praktické kvantové počítače, kvantová korekce chyb musí přijít na řadu jako první.“

A co je ona zmiňovaná kvantová korekce chyb? Představte si systém kontroly kvality ve výrobním procesu, kde místo 10 různých kontrolních bodů k zachycení všech vad potřebujete jen jeden. Jinými slovy: výsledek zůstává stejný, ale potřebujete méně zdrojů a zjednodušíte celý výrobní proces. Díky inovativním technologiím, jako je Ocelot, by kvantové počítače mohly být menší, spolehlivější a levnější.

Prototyp kvantového čipu Ocelot je prvním krokem v testování architektury AWS navržené pro korekci kvantových chyb. Základem pro Ocelot jsou takzvané „cat qubity“, pojmenované po slavné Schrödingerově kočce, které mají zabudovaný systém korekce chyb. Navíc byl tento čip vyvinut s využitím současných technologií používaných v mikroelektronice. Ocelot se skládá z 14 komponent: 5 cat qubitů, 5 vyrovnávacích obvodů stabilizujících data a 4 dodatečné qubity navržené pro detekci chyb v datových qubitech.

„Jde o mimořádně náročnou problematiku a bude nutné dále investovat do základního výzkumu. Zároveň je pro nás důležité udržet úzkou spolupráci s akademickou sférou a čerpat z jejích poznatků. Nyní se soustředíme na pokračování v inovacích v celém spektru kvantových výpočtů, průběžně ověřujeme vhodnost zvolené architektury a aplikujeme získané poznatky do našeho inženýrského přístupu. Je to cyklus neustálého zdokonalování a rozšiřování možností,” doplňuje Oskar Painter z AWS.