U ovom članku predstavljamo rezultate koji pokazuju implementaciju “boja kodova” za kvantnu korekciju grešaka na platformi superprovodljivih qubita. Korekcija grešaka ključna je komponenta budućih velikih kvantnih računala. Korištenjem korekcije grešaka možemo kombinirati mnoge “fizičke qubite” (u našim uređajima, to su mali superprovodljivi krugovi koji mogu pohranjivati kvantne informacije, ali su osjetljivi na šum) u skupinu koja zajedno djeluje kako bi pohranila jedan “logički qubit” koji je otporniji na šum.
Prije nekoliko mjeseci objavili smo da smo implementirali eksperiment kvantne korekcije grešaka temeljen na površinskom kodu koji je premašio prag performansi potreban za ostvarivanje koristi od povećanja sustava. To znači da, u teoriji, sada možemo stvoriti gotovo savršen logički qubit jednostavnim dodavanjem sve većeg broja fizičkih qubita.
Razmišljajući o sljedećim koracima u ovom putovanju, postavljaju se sljedeća pitanja:
– Kako možemo minimizirati broj fizičkih qubita po logičkom qubitu?
– Kako možemo maksimizirati brzinu logičkih operacija i kvantnih algoritama?
Jedan od načina za napredak u oba ova pitanja, što je exemplificirano objavom našeg čipa Willow, jest poboljšanje kvalitete fizičkih qubita (tj. smanjenje fizičkih grešaka). To smanjuje potrebnu udaljenost koda (tj. minimalni broj istovremenih fizičkih grešaka potrebnih za proizvodnju logičke greške), što dovodi do manjeg broja fizičkih qubita po logičkom qubitu i bržih logičkih operacija, koje se obično povećavaju s udaljenošću koda. Međutim, drugi način je učiniti kod korekcije grešaka učinkovitijim.
Trenutno s uzbuđenjem izvještavamo o eksperimentalnoj demonstraciji sustava “boja kodova” koji pruža povoljnu alternativu dobro istraženom površinskom kodu. U našoj najnovijoj publikaciji u časopisu Nature, “Skaliranje i logika u boja kodu na superprovodljivom kvantnom procesoru”, implementirali smo građevne blokove potrebne za resursno učinkovito, otporno na greške kvantno računalo temeljen na boja kodu. Baš kao i površinski kod, boja kod koristi mnoge fizičke qubite za kodiranje svakog logičkog qubita na način da se greške mogu otkriti i ispraviti dok se događaju. Međutim, boja kod koristi drugačiji geometrijski uzorak mjerenja pariteta (tj. trokutasti komad heksagonalnih pločica) koji zahtijeva manje fizičkih qubita i ima učinkovitije logičke kapije od površinskog koda, ali to dolazi s troškom zahtijevanja dubljih fizičkih krugova i drugačijeg algoritma dekodiranja.
Prednosti i nedostaci boja kodova
Kada procjenjujemo kod korekcije grešaka, korisna mjera je “udaljenost” koda, koja nam govori koliko fizičkih grešaka rezultira jednom logičkom greškom. U površinskom kodu, moramo rasporediti naš logički qubit u kvadrat gdje je duljina stranice jednaka udaljenosti koda. Međutim, geometrija boja koda je drugačija, jer zahtijeva heksagonalno pločenje u trokutasti oblik s duljinom stranice jednaku udaljenosti koda. To znači da je površina boja koda mnogo manja od površine površinskog koda iste udaljenosti, što sugerira da nam je potrebno manje fizičkih qubita.
Međutim, postoji kompromis! Ispostavlja se da je implementacija kruga korekcije grešaka i dekodiranje izlaza teža u boja kodu (npr. jer algoritmi usklađivanja nisu tako precizni na ovom kodu). U praksi to znači da je teže prijeći prag korekcije grešaka (tj. razinu performansi potrebnu za rad korekcije grešaka). Ipak, naša nedavna publikacija pokazuje da je naš čip Willow, u kombinaciji s nedavnim napretkom u dekodiranju, sada sposoban za performanse ispod praga koristeći boja kod.
Specifično, naš rezultat uspoređuje boja kod s udaljenošću 3 i 5, i pokazuje da je stopa logičkih grešaka smanjena za faktor 1.56× na većoj udaljenosti. Iako je ovaj inicijalni rezultat manji od faktora 2.31× koji smo prethodno postigli koristeći površinske kodove, očekujemo da će geometrijska prednost početi prevladavati na većim razmjerima i s dodatnim poboljšanjima uređaja.
Brže logičke operacije s jednim qubitom
Gdje boja kod zaista počinje blistati je kada pogledamo logičke operacije. Ovdje neke operacije s jednim qubitom postaju lakše nego u površinskom kodu. U boja kodu, mnoge logičke operacije mogu se implementirati u jednom koraku, dok površinski kod zahtijeva mnogo ciklusa korekcije grešaka za isto. Na primjer, logička Hadamardova kapija očekuje se da će trajati ~20 ns u boja kodu, dok može trajati 1000× duže za izvršavanje na površinskom kodu u istom uređaju. To čini bržim izvođenje logičkih kapija i na kraju bržim izvođenje kvantnih algoritama. Štoviše, budući da bi algoritam zahtijevao mnogo manje ciklusa korekcije grešaka, možemo si priuštiti više grešaka po ciklusu i stoga manje fizičkih qubita.
Korištenjem ove značajke, demonstrirali smo da možemo izvesti mnoge logičke operacije s jednim qubitom i potvrdili rezultate koristeći “logičko nasumično testiranje” (više u publikaciji).
Uvođenje proizvoljnih stanja
Ključna komponenta kvantnog računalstva je sposobnost generiranja posebnog stanja koje se naziva “čarobno stanje” (ili T-stanje). “Čarobna stanja” su važna jer su potrebna za generiranje kritično važnih arbitrarnih operacija u kvantnim algoritmima. U 2026. godini očekujemo daljnji napredak u ovoj oblasti, što će omogućiti još učinkovitije korištenje boja kodova u kvantnim računalima.
Zaključak
Boja kodovi predstavljaju značajan napredak u području kvantne korekcije grešaka. Smanjenje broja fizičkih qubita potrebnih za postizanje logičkih operacija i poboljšanje brzine izvođenja kvantnih algoritama otvara nove mogućnosti za razvoj kvantnih računala. Iako postoje izazovi u implementaciji, očekivanja su visoka, a istraživanja se nastavljaju kako bi se unaprijedila ova tehnologija.
Česta pitanja (FAQ)
Što su boja kodovi?
Boja kodovi su sustav korekcije grešaka u kvantnom računalstvu koji koristi geometrijski uzorak mjerenja pariteta za smanjenje broja fizičkih qubita potrebnih za postizanje logičkih operacija.
Kako boja kodovi poboljšavaju performanse kvantnih računala?
Boja kodovi omogućuju brže logičke operacije i smanjuju potrebu za fizičkim qubitima, što rezultira učinkovitijim kvantnim algoritmima.
Koji su izazovi u korištenju boja kodova?
Izazovi uključuju složenost implementacije krugova korekcije grešaka i dekodiranja, što može otežati postizanje potrebnih performansi.
Koje su prednosti boja kodova u odnosu na površinske kodove?
Boja kodovi koriste manje fizičkih qubita i omogućuju brže izvođenje logičkih operacija, ali zahtijevaju dublje fizičke krugove.
Kada možemo očekivati daljnji napredak u ovoj tehnologiji?
Očekuje se da će daljnji napredak u istraživanju i razvoju boja kodova nastaviti do 2026. godine, donoseći nova rješenja i poboljšanja u kvantnom računalstvu.
