Google v kvantnem računalništvu dosegel pomemben uspeh v odpravljanju napak

V Googlu so objavili, da so dosegli drugega od šestih mejnikov, ki so si jih zastavili na poti do splošnega kvantnega računalnika: odpravljanje napak na način povečevanja števila kubitov in bolj zapletenih algoritmov.

Problematika pojavljanja napak pri računanju je ta hip osrednja težava, s katero se soočajo strokovnjaki za razvoj kvantnih računalnikov. Že pri klasičnih računalnikih se rado zgodi, da kozmični žarki ali tunelirajoči elektroni povzročijo, da se kateri od bitov v pomnilniku ali registrih "obrne", kar lahko pripelje do napačnih rezultatov, zato čipi in pomnilniki poznajo rezervne bite, s katerimi naprave samodejno odpravljajo takšne napake. Pri kvantnih računalnikih pa je problem mnogo zahtevnejši. Ne le, da ne poznajo klasičnega zapisovanja v pomnilnik, ker kvantnih podatkov ne moremo enostavno zapisovati (saj bi jih s tem prebrali in preobrazili v klasične), temveč je računska logika res močno občutljiva na napake. Kubite lahko šum v obliki denimo nihanj v temperaturi in druge manjše neprilike hitro zmotijo, s tem pa podrejo še koherenco širšega sistema, oziroma superpozicijo z drugimi kubiti, in napake se prično hitro množiti.

Najobičajnejši pristop k reševanju tega problema je, da se popravljanju napak dodelijo dodatni kubiti in se na primer iz več fizičnih kubitov napravi en logični kubit: enota podatkov, ki je notranje odporna na pojavljanje napak. Toda tudi dodatni kubiti so sami dovzetni za napake! Zato je poglavitno vprašanje področja tisto, ali je sploh mogoče z rastočim številom kubitov, se pravi z vse večjimi sistemi in bolj zapletenimi algoritmi, v končni fazi v resnici zmanjšati število napak, ali pa se zgolj obsodimo na začaran krog povečevanja napačnih vrednosti. Obstaja skupina kvantnih fizikov, ki menijo, da zaradi tega splošnih kvantnih računalnikov ne bomo nikdar uspeli napraviti. Toda v Googlovem laboratoriju za kvantno računalništvo so sedaj v konceptnem preizkusu pokazali, da je takšna metoda za soočanje z napakami verjetno smiselna. Gre sicer za drugega od šestih mejnikov, ki so si jih sami zastavili na poti do izgotovitve splošnega kvantnega računalnika; prvi je bil samooklicani dosežek kvantne prednosti jeseni 2019. Tokratni podvig so popisali v objavi v reviji Nature.

Uporabili so 72-kubitno napravo in jo pognali v dveh načinih; pri prvem so logični kubit, oziroma algoritem s samostojno sposobnostjo popravljanja napak, sestavili iz 17 fizičnih kubitov, pri drugem pa iz 49. Nato so sistema pognali skozi 25 ciklov in opazovali pojavnost napak. V grobem povedano je znal manjši sistem odpravljati po en pojav napake hkrati, večji pa po dva. V nekaj natančnejših rezultatih je po mnogih ponovljenih poskusih 17-kubitni sistem nosil dobre 3 odstotke možnosti za zgrešeno logično vrednost, 49-kubitni pa nekaj čez 2,9 odstotka. Na videz gre za zelo majhne razlike, ki pa nosijo pomembne izsledke, saj so inženirji pokazali, da je z večanjem mehanizmov za odpravo napak v resnici mogoče izboljševati njihov učinek. Gre seveda šele za konceptni dokaz in za praktično rabo bo potrebno zmogljivosti takšnih mehanizmov izboljšati za več redov velikosti, zato je Googlov dosežek dokaj podoben tistemu okoli kvantne prednosti, kar je bil sicer pomemben uspeh, a ne tako revolucionaren, da bi računalništvo v hipu obrnil na glavo.