Κβαντικοί υπολογιστές: Η ανακάλυψη που μπορεί να αλλάξει τα πάντα - Έρχονται τα μη Αβελιανά anyons
Ερευνητές έδειξαν ότι κβαντικά σωματίδια, γνωστά ως μη Αβελιανά anyons, μπορούν να εκτελέσουν ολόκληρο το φάσμα των λειτουργιών που απαιτούνται για καθολική κβαντική υπολογιστική
Snapshot
- Ερευνητές απέδειξανειραματικά τα μη Αβενά anyons μπορούν εκτελέσουν όλες τις απαιτούμενες λειτουργίες για καθολική κβαντική υπολογιστική.
- Η νέα μέθοδος βασίζεται σε πλέξη και σύντηξη των anyons, επιτρέποντας λειτουργίες που δεν ήταν δυνατές μόνο με πλέξη.
- Τα μη Αβελιανά anyons προσφέρουν πιθανή παράκαμψη της δαπανηρής διαδικασίας distillation για τη δημιουργία magic states σε κβαντικούς υπολογιστές.
- Το πείραμα χρησιμοποίησε 54 εμπλεγμένα qubits για να δημιουργήσει anyons με συμμετρία S3, επιτυγχάνοντας καθολικό σύνολο πυλών.
- Το επόμενο βήμα είναι ο συνδυασμός αυτής της προσέγγισης με ενεργή διόρθωση σφαλμάτων για την ανάπτυξη ανθεκτικών σε σφάλματα κβαντικών υπολογιστών μεγάλης κλίμακας.
Κβαντικά σωματίδια απέδειξαν στην πράξη μια νέα διαδρομή προς την καθολική και, δυνητικά, πολύ πιο αποδοτική κβαντική υπολογιστική.
Ένας πρακτικός κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει τελικά να μπορεί να εκτελεί οποιονδήποτε τύπο κβαντικού αλγορίθμου, όπως ακριβώς ένας συμβατικός φορητός υπολογιστής μπορεί να «τρέχει» πολλά διαφορετικά είδη λογισμικού.
Ερευνητές παρουσίασαν τώρα έναν νέο τρόπο για να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο ευελιξίας, χρησιμοποιώντας ασυνήθιστα κβαντικά αντικείμενα γνωστά ως μη Αβελιανά anyons.
Επιστήμονες από τη Σχολή Μοριακής Μηχανικής Pritzker του Πανεπιστημίου του Σικάγο (UChicago PME), το Harvard, το Stony Brook University και την Quantinuum δημιούργησαν και δοκίμασαν ένα πλήρες σύνολο λειτουργιών που βασίζεται στα μη Αβελιανά anyons.
Τα αποτελέσματά τους συνιστούν την πρώτη πειραματική επίδειξη ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να υποστηρίξει το ευρύ φάσμα λειτουργιών που απαιτείται για καθολική κβαντική υπολογιστική.
«Επιδείξαμε αυτό που αποκαλείται καθολικό σύνολο πυλών, δηλαδή ότι, αν αποθηκεύσεις πληροφορίες σε αυτές τις αναδυόμενες εκδοχές των κουάρκ και τις μετακινήσεις, μπορείς να πραγματοποιήσεις οποιονδήποτε κβαντικό υπολογισμό επιθυμείς», δήλωσε ο Ruben Verresen, επίκουρος καθηγητής μοριακής μηχανικής στο UChicago PME και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης που δημοσιεύθηκε στο Nature.
Η στρατηγική αυτή θα μπορούσε να προσφέρει κάτι περισσότερο από τη δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή γενικής χρήσης. Ενδέχεται επίσης να ανοίξει έναν πιο αποδοτικό δρόμο προς αξιόπιστες κβαντικές μηχανές.
Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι εξαιρετικά ευάλωτοι σε σφάλματα. Για τον λόγο αυτό, οι ερευνητές συνήθως προστατεύουν τις πληροφορίες κατανέμοντάς τες σε πολλά φυσικά qubits.
Αυτές οι μέθοδοι διόρθωσης σφαλμάτων μπορούν να διατηρήσουν τα δεδομένα, αλλά συνήθως δεν παρέχουν όλες τις λειτουργίες που είναι απαραίτητες για την εκτέλεση καθολικών κβαντικών υπολογισμών πάνω σε αυτές τις προστατευμένες πληροφορίες.
Για να καλύψουν αυτό το κενό, οι μηχανικοί καταφεύγουν συχνά σε ειδικά προετοιμασμένους πόρους που ονομάζονται «magic states».
Η παραγωγή τους απαιτεί συνήθως μια απαιτητική διαδικασία καθαρισμού, γνωστή ως distillation, η οποία μπορεί να καταναλώνει μεγάλο μέρος των διαθέσιμων qubits ενός κβαντικού υπολογιστή.
Τα νέα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι τα μη Αβελιανά anyons μπορεί να προσφέρουν έναν τρόπο παράκαμψης αυτού του ιδιαίτερα δαπανηρού σταδίου.
«Οι μη Αβελιανοί κώδικες είναι το αουτσάιντερ στην κούρσα για την κβαντική διόρθωση σφαλμάτων», δήλωσε ο Henrik Dreyer, διευθύνων σύμβουλος και επιστημονικός επικεφαλής του γραφείου της Quantinuum στο Μόναχο και συν-συγγραφέας της μελέτης.
«Σε αυτή την εργασία παρουσιάζουμε το πρώτο καθολικό σύνολο πυλών σε έναν μη Αβελιανό κώδικα, αποδεικνύοντας ότι οι ανθεκτικοί σε σφάλματα υπολογισμοί μπορούν, κατ’ αρχήν, να πραγματοποιηθούν χωρίς να απαιτείται distillation ή cultivation των magic states, που αποτελούν τις πιο δαπανηρές λειτουργίες στους συμβατικούς κώδικες κβαντικής διόρθωσης σφαλμάτων».
Γιατί τα μη Αβελιανά anyons είναι διαφορετικά
Τα συνηθισμένα qubits κωδικοποιούν πληροφορίες χρησιμοποιώντας δύο βασικές καταστάσεις, μαζί με κβαντικούς συνδυασμούς αυτών των καταστάσεων.
Τα μη Αβελιανά anyons λειτουργούν με έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο.
Αυτά τα anyons δεν εμφανίζονται στη φύση ως συνηθισμένα, ανεξάρτητα σωματίδια. Αντίθετα, οι επιστήμονες τα δημιουργούν μέσα σε κβαντικά κυκλώματα, εμπλέκοντας πολλά συμβατικά qubits σε μία συλλογική κατάσταση που συμπεριφέρεται σαν να πρόκειται για έναν νέο τύπο σωματιδίου, με τους δικούς του ασυνήθιστους κανόνες.
«Ο τρόπος με τον οποίο σκέφτομαι αυτούς τους κώδικες είναι ότι δημιουργούν μικρά σύμπαντα, εναλλακτικά σύμπαντα, αλλά τέτοια που αντανακλούν ορισμένες από τις ιδιότητες του δικού μας», δήλωσε ο Verresen.
Κάθε μη Αβελιανό anyon διαθέτει μια εσωτερική κατάσταση, η οποία αλλάζει όταν ένα anyon κινείται γύρω από ένα άλλο, σε μια διαδικασία γνωστή ως braiding ή «πλέξη».
Τι υποδηλώνει ο όρος «μη Αβελιανό»
Η σειρά με την οποία πραγματοποιούνται αυτές οι κινήσεις έχει σημασία, και αυτό ακριβώς υποδηλώνει ο όρος «μη Αβελιανό», επιτρέποντας την κωδικοποίηση και τον χειρισμό πληροφοριών με τρόπους που δεν είναι διαθέσιμοι στα συνηθισμένα σωματίδια.
Επειδή οι πληροφορίες κατανέμονται σε πολλά εμπλεγμένα qubits και δεν αποθηκεύονται σε ένα μόνο σημείο, μπορούν επίσης να προστατεύονται με φυσικό τρόπο από ορισμένες από τις μικρές διαταραχές που συχνά επηρεάζουν τα συμβατικά qubits.
Η πλέξη των anyons μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση υπολογιστικών λειτουργιών.
Γιατί η «πλέξη» από μόνη της δεν ήταν αρκετή
Το 2024, ερευνητική ομάδα στην οποία συμμετείχε ο Verresen χρησιμοποίησε έναν κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένων ιόντων της Quantinuum για να δημιουργήσει anyons που σχετίζονταν με μια ομάδα συμμετρίας γνωστή ως D4, τις περιστροφές και ανακλάσεις που αφήνουν αμετάβλητο ένα τετράγωνο.
Με αυτόν τον τρόπο επιτεύχθηκε για πρώτη φορά η επίδειξη αυτού του είδους μη Αβελιανής τάξης σε κβαντικό υλικό.
Εκείνο το πείραμα έδειξε ότι τα ασυνήθιστα αυτά σωματίδια μπορούσαν να δημιουργηθούν και να χειραγωγηθούν, όμως η πλέξη τους από μόνη της δεν ήταν αρκετή για να πραγματοποιήσει όλες τις λειτουργίες που απαιτούνται για την καθολική κβαντική υπολογιστική.
«Σε εκείνη την εργασία δεν αποδείξαμε ότι αυτές οι αναδυόμενες δυνάμεις ήταν αρκετές για την πραγματοποίηση κβαντικών υπολογισμών», είπε ο Verresen.
«Το συγκεκριμένο σύμπαν που δημιουργήσαμε δεν ήταν αρκετά ισχυρό».
Η σύντηξη ξεκλειδώνει καθολικές κβαντικές λειτουργίες
Για τη νέα μελέτη, οι ερευνητές στράφηκαν σε μια διαφορετική συμμετρία, γνωστή ως S3, τις περιστροφές και κατοπτρικές ανακλάσεις που αφήνουν αμετάβλητο ένα ισόπλευρο τρίγωνο.
Δημιούργησαν τα αντίστοιχα anyons στον επεξεργαστή παγιδευμένων ιόντων H2 της Quantinuum, χρησιμοποιώντας 54 εμπλεγμένα qubits.
Το σύστημα S3 διέθετε τις ιδιότητες που απαιτούνται για καθολική κβαντική υπολογιστική, αλλά μόνο όταν η πλέξη συνδυαζόταν με μια ακόμη λειτουργία, που ονομάζεται fusion ή «σύντηξη».
Κατά τη σύντηξη, δύο anyons έρχονται σε επαφή και στη συνέχεια μετράται η κατάσταση που προκύπτει.
Η βασική θεωρητική ιδέα είχε προταθεί ήδη το 2003 από τον Carlos Mochon, τότε φοιτητή του John Preskill στο Caltech.
Ωστόσο, για να μετατραπεί αυτή η θεωρητική ιδέα σε πείραμα που θα μπορούσε πραγματικά να εκτελεστεί σε κβαντικό υλικό απαιτήθηκε εκτεταμένη πρόσθετη θεωρητική και πειραματική εργασία.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ζεύγη anyons για να κωδικοποιήσουν «τοπολογικά qutrits», τα οποία μπορούν να αποθηκεύουν τρία πιθανά επίπεδα κβαντικής πληροφορίας, αντί για τα δύο επίπεδα που χρησιμοποιούν τα συμβατικά qubits.
Συνδυάζοντας διαφορετικές λειτουργίες πλέξης και σύντηξης, η ομάδα παρουσίασε τρία βασικά εργαλεία: μία πύλη εμπλοκής που δημιουργήθηκε μέσω της πλέξης και δύο διαφορετικές μετρήσεις που προέκυψαν μέσω της σύντηξης.
Συνολικά, αυτές οι λειτουργίες μπορούν, κατ’ αρχήν, να παράγουν οποιαδήποτε κβαντική λειτουργία, περιλαμβανομένων και λειτουργιών που δεν μπορούσαν να επιτευχθούν μόνο με την πλέξη.
Πέρα από τις πιθανές εφαρμογές τους στην πληροφορική, αυτές οι ασυνήθιστες κβαντικές καταστάσεις θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν τους ερευνητές να διερευνήσουν θεμελιώδεις πτυχές της φυσικής.
«Είναι ιδιαίτερα ικανοποιητικό να βλέπουμε ιδέες πάνω στις οποίες δουλεύαμε κατά τη διάρκεια των διδακτορικών μας να υλοποιούνται στο εργαστήριο, και αυτό κατέστη δυνατό χάρη στις εντυπωσιακές προόδους που έχουν σημειωθεί στο κβαντικό υλικό τα τελευταία χρόνια», δήλωσαν οι Anasuya Lyons και Chiu Fan Bowen Lo, μεταπτυχιακοί ερευνητές στο Harvard University, στην ομάδα του Ashvin Vishwanath, οι οποίοι συνέβαλαν στην καθοδήγηση της έρευνας.
Προς κβαντικούς υπολογιστές ανθεκτικούς σε σφάλματα
Οι ερευνητές απέδειξαν επίσης ότι τα μη Αβελιανά anyons μπορούσαν να παράγουν άμεσα μια magic state χρησιμοποιώντας τοπολογικές λειτουργίες, παρακάμπτοντας έτσι τη δαπανηρή διαδικασία distillation που χρησιμοποιείται στα περισσότερα κβαντικά συστήματα.
Το πείραμα δεν περιλάμβανε ακόμη ενεργή διόρθωση σφαλμάτων.
Αντί γι’ αυτό, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στη δοκιμή των επιμέρους δομικών στοιχείων της μεθόδου και στην επιβεβαίωση ότι μπορούσαν να δημιουργήσουν μια magic state συμβατή με τις θεωρητικές προβλέψεις.
«Μέχρι στιγμής έχουμε αγνοήσει το ζήτημα της διόρθωσης σφαλμάτων. Εδώ πρόκειται περισσότερο για μια απόδειξη αρχής», δήλωσε ο Verresen.
Το επόμενο μεγάλο βήμα θα είναι ο συνδυασμός αυτών των λειτουργιών με ενεργή διόρθωση σφαλμάτων.
Αν αυτό καταστεί εφικτό, τα μη Αβελιανά anyons θα μπορούσαν τελικά να αποτελέσουν μια πρακτική βάση για μεγάλης κλίμακας κβαντικούς υπολογιστές ανθεκτικούς σε σφάλματα.
Πηγή: Πανεπιστήμιο του Σικάγο
