Κβαντικοί υπολογιστές 1.000 φορές ταχύτεροι χάρη σε νέα ευρωπαϊκή μέθοδο

Σύνοψη

• Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Chalmers στη Σουηδία ανέπτυξαν μια θεωρητική μέθοδο που επιτρέπει την ολοκλήρωση εξαιρετικά πολύπλοκων κβαντικών λειτουργιών 1.000 φορές ταχύτερα από τα σημερινά πρότυπα.
• Η νέα προσέγγιση αξιοποιεί τους μποζονικούς κβαντικούς κώδικες για να αποθηκεύσει δεδομένα σε πεδία μικροκυμάτων μέσα σε υπεραγώγιμα κυκλώματα, αποφεύγοντας την ευπάθεια των μεμονωμένων qubits.
• Η εισαγωγή των «κβαντικών πυλών πλέγματος» συμπυκνώνει χιλιάδες παραδοσιακούς κύκλους οδήγησης σε μόλις έναν, ελαχιστοποιώντας τον χρόνο που παραμένουν εκτεθειμένες οι πληροφορίες σε εξωτερικές παρεμβολές.
• Οι συζητήσεις για την άμεση πειραματική εφαρμογή της τεχνικής έχουν ήδη ξεκινήσει στον κβαντικό υπολογιστή των 100-qubit που κατασκευάζεται στις εγκαταστάσεις του σουηδικού ιδρύματος.

Το Πανεπιστήμιο Chalmers ενσωματώνει τις κβαντικές πύλες πλέγματος για να επιταχύνει τον έλεγχο των μποζονικών κωδικών δημιουργώντας συνθήκες ολοκλήρωσης διεργασιών έως και 1.000 φορές πιο γρήγορα από τα σημερινά δεδομένα. Η θεωρητική μέθοδος αποθηκεύει τα δεδομένα απευθείας σε πεδία μικροκυμάτων υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, περιορίζοντας δραματικά τον χρόνο έκθεσης των ευαίσθητων πληροφοριών σε εξωτερικές παρεμβολές και θέτοντας στιβαρές βάσεις για πλήρως ανθεκτικούς κβαντικούς υπολογιστές.

Οι κβαντικοί υπολογιστές αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο για την επίλυση προβλημάτων που απαιτούν ασύλληπτη επεξεργαστική ισχύ, επηρεάζοντας άμεσα κρίσιμους τομείς όπως η ανακάλυψη νέων φαρμάκων, η βελτιστοποίηση πολύπλοκων ενεργειακών δικτύων, η σύγχρονη κρυπτογραφία και η εξέλιξη της τεχνητής νοημοσύνης. Πριν αξιοποιηθεί πλήρως η τεράστια θεωρητική τους δυναμική, τα συστήματα αυτά καλούνται να αποδείξουν ότι μπορούν να λειτουργήσουν με απόλυτη συνέπεια και αξιοπιστία απέναντι σε πραγματικές, μη ιδεατές συνθήκες εργαστηρίου. 

Η μεγαλύτερη κατασκευαστική πρόκληση για την κλιμάκωση της αρχιτεκτονικής τους εντοπίζεται στα υπολογιστικά σφάλματα που προκύπτουν διαρκώς κατά τη διάρκεια επεξεργασίας των πληροφοριών, καθώς οι στοιχειώδεις δομικοί λίθοι τους, γνωστοί ευρέως ως qubits, είναι υπερβολικά ευαίσθητοι απέναντι σε πλήθος εξωτερικών παραγόντων. Ακόμα και η παραμικρή περιβαλλοντική διαταραχή, όπως ο ηλεκτρικός θόρυβος, η κοσμική ακτινοβολία ή οι ανεπαίσθητες αυξήσεις της θερμοκρασίας στον πυρήνα του συστήματος, αρκεί για να προκαλέσει απόκλιση της κβαντικής κατάστασης από τον αρχικό της στόχο και να καταστρέψει οριστικά την αποθηκευμένη πληροφορία.

Η αναγκαιότητα εγκατάλειψης των μεμονωμένων qubits

Οι παραδοσιακοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές βασίζονται σε καλά εδραιωμένες τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων που εντοπίζουν και επιδιορθώνουν αυτόματα τις όποιες αλλοιώσεις στα δεδομένα, όμως, για την κβαντική πληροφορική η αντίστοιχη διαδικασία φαντάζει απείρως πολυπλοκότερη. Κάθε φορά που προστίθεται ένα επιπλέον βήμα στην υπολογιστική αλυσίδα, η πιθανότητα απώλειας της κβαντικής συνοχής αυξάνεται εκθετικά, εγκλωβίζοντας τους μηχανικούς σε έναν διαρκή αγώνα δρόμου απέναντι στον ελάχιστο διαθέσιμο χρόνο επεξεργασίας. Στην αναζήτηση μιας πιο ανθεκτικής αρχιτεκτονικής, οι επιστήμονες στρέφονται προς τους μποζονικούς κβαντικούς κώδικες, οι οποίοι εγκαταλείπουν εντελώς τη λογική αποθήκευσης σε μεμονωμένα qubits. Αντ’ αυτής, κωδικοποιούν την πληροφορία μέσα στα πεδία μικροκυμάτων που αναπτύσσονται διαρκώς στο εσωτερικό των υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, προσφέροντας εγγενώς ισχυρότερη προστασία έναντι συγκεκριμένων κατηγοριών σφαλμάτων.

Αν και η θεωρητική θωράκιση που παρέχει η μέθοδος υπερτερεί σημαντικά έναντι των παραδοσιακών μοντέλων, ο έλεγχος αυτών των μποζονικών καταστάσεων απαιτούσε μέχρι σήμερα την καθοδήγηση του συστήματος μέσα από χιλιάδες επαναλαμβανόμενους κύκλους. Οι ερευνητές Lei Du και Tangyou Huang παρουσιάζουν μια ριζικά διαφορετική προσέγγιση που παρακάμπτει τη σταδιακή οικοδόμηση των κβαντικών καταστάσεων. Ο πυρήνας της νέας μεθοδολογίας στηρίζεται στις κβαντικές πύλες πλέγματος (quantum lattice gates), οι οποίες λειτουργούν πρακτικά ως εντολές συντόμευσης επιτρέποντας την εκτέλεση εντολών μέσα σε έναν μόνο κύκλο. Για να γίνει κατανοητή η διαφορά στην κλίμακα της ταχύτητας, ο ερευνητής Tangyou Huang παραλληλίζει τη διαδικασία με το χτίσιμο ενός κάστρου από τουβλάκια LEGO, όπου αντί να τοποθετείται κάθε κομμάτι ξεχωριστά με τον διαρκή κίνδυνο κάποιου λάθους κατά τη συναρμολόγηση, ολόκληρα προσυναρμολογημένα τμήματα ενώνονται ακαριαία μεταξύ τους.

Ο έλεγχος Floquet και η πορεία προς τα Fault-Tolerant συστήματα

Η τεχνική ελέγχου Floquet περιλαμβάνει παραδοσιακά την καθοδήγηση του κβαντικού συστήματος μέσω περιοδικών σημάτων, αναγκάζοντας το λογισμικό να περιμένει την ολοκλήρωση πολλών αργών διαδικασιών μέχρι να παραχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο Chalmers κατάφεραν να συμπιέσουν όλες αυτές τις ξεχωριστές φάσεις μέσα σε έναν αδιαίρετο χρονικό κύκλο, μετατρέποντας την επιθυμητή λειτουργία σε μια εξατομικευμένη ακολουθία παλμών ελέγχου. Αυτοί οι στοχευμένοι παλμοί κατευθύνουν το σύστημα με ασύλληπτη ακρίβεια προς την τελική του κατάσταση προτού ο εξωτερικός θόρυβος προλάβει να καταστρέψει τη συνοχή του. Η εξέλιξη μεταφράζεται πρακτικά σε μείωση του χρόνου απόκρισης κατά χίλιες φορές, ελαχιστοποιώντας τον κίνδυνο καταστροφής των πληροφοριών πριν την ολοκλήρωση της όποιας υπολογιστικής διαδικασίας.

Η εφαρμογή των κβαντικών πυλών πλέγματος ενδείκνυται πρωτίστως για τους υπεραγώγιμους κβαντικούς υπολογιστές, μια από τις επικρατέστερες τεχνολογικές πλατφόρμες στην παγκόσμια κούρσα για την επικράτηση της υπολογιστικής υπεροχής. Το σουηδικό πανεπιστήμιο χρησιμοποιεί ήδη τις υπεραγώγιμες αρχιτεκτονικές για την ανάπτυξη του δικού του κβαντικού υπολογιστή των 100-qubit, με την ερευνητική ομάδα να επιβεβαιώνει πως βρίσκονται σε εξέλιξη συζητήσεις για την άμεση πειραματική υλοποίηση της νέας τεχνικής στο πραγματικό hardware. 

Μια επιτυχημένη εργαστηριακή επίδειξη θα επιλύσει ένα από τα σημαντικότερα κατασκευαστικά εμπόδια του κλάδου, ανοίγοντας τον δρόμο για τη δημιουργία αξιόπιστων υπολογιστών που θα μπορούν να διαχειρίζονται τα σφάλματα αποτελεσματικά χωρίς να επιβραδύνουν την εκτέλεση των αλγορίθμων τους.