O echipă condusă de Jeff Thompson (Universitatea Princeton) a reușit să dezvolte cu succes o metodă de corecție semnificativ mai eficientă decât altele în ceea ce privește erorile identificate de-a lungul timpului în calculatoarele cuantice. Tehnica inedită de corectare a erorilor în aceste calculatoare cuantice poate elimina o barieră semnificativă care stă în calea unei noi și puternice metode de calcul: calculul cuantic. Corectarea erorilor este un subiect foarte des abordat în ceea ce privește calculatoarele tradiționale. Pentru a transmite și a primi date, fiecare telefon mobil, spre exemplu, necesită verificări și ajustări. Calculatoarele cuantice au un potențial extraordinar de a aborda probleme complicate pe care calculatoarele convenționale nu le pot aborda, și totuși această capacitate depinde de exploatarea comportamentului deloc statornic al particulelor care se găsesc la nivel subatomic. Aceste comportamente de calcul sunt atât de efemere, incredibil de greu de cuantificat și definit, încât și simpla lor inspectare, în vederea identificării defectelor, ar putea duce la colapsarea întregului sistem.
Toleranța calculatoarelor cuantice la erori
Echipa interdisciplinară, condusă de către Jeff Thompson, profesor asociat de informatică și de inginerie electrică la Universitatea Princeton, a demonstrat, într-o lucrare teoretică publicată în prestigioasa revistă Nature Communications, că ar putea îmbunătăți semnificativ toleranța unui calculator cuantice la erori și ar putea reduce cantitatea de informații redundante – necesare în vederea izolării și remedierii erorilor. Noua abordare mărește substanțial (de patru ori) rata de eroare acceptabilă – de la 1%, la 4%, ceea ce o face practică și eficientă pentru computerele ce se află, în prezent, în curs de dezvoltare (computerele cuantice). „Provocarea fundamentală în această privință, pentru dezvoltarea computerelor cuantice, este că operațiile pe care ai vrea să le efectuezi sunt «foarte zgomotoase»”, a declarat Thompson, ceea ce înseamnă că toate aceste calcule sunt „predispuse la numeroase moduri în care ar putea eșua”.
Într-un computer convențional, o eroare este la fel de simplă ca un bit de memorie care va trece accidental de la 1 la 0 sau la fel de complicată ca două rețele wireless care interferează una cu cealaltă. Abordarea obișnuită pentru a gestiona astfel de erori este de a încorpora ceea ce poartă numele de „redundanță”, astfel încât fiecare bucată de date să fie comparată cu copii duplicate. Cu toate acestea, această abordare, după cum este evident, suplimentează cantitatea de date ce sunt necesare, creându-se, astfel, mai multe posibilități de eroare. Prin urmare, ea funcționează numai atunci când marea majoritate a informațiilor sunt deja corecte. În caz contrar, verificarea datelor greșite – în raport cu alte date greșite – duce, implicit, la și mai multe erori. Thompson afirmă că „dacă rata de eroare de bază este prea mare, atunci abordarea acestei strategii [adică redundanța] este deficitară (…), iar principala provocare este a coborî sub acest «prag»”.
Astfel, în loc să se concentreze strict pe reducerea numărului de erori, echipa condusă de către Thompson a făcut, în esență, ca erorile să fie mult mai ușor de identificat, mult mai vizibile. Ei au cercetat, în profunzime, cauzele fizice reale ale erorilor și, ulterior, și-au proiectat sistemul astfel încât, efectiv, să elimine cea mai frecventă sursă de erori, mai degrabă decât să corupă și să șteargă datele deteriorate. Thompson a spus că acest comportament reprezintă un tip special de eroare cunoscut sub numele de „eroare de ștergere”, care, în mod fundamental, este mai ușor de eliminat decât datele care sunt corupte dar care, în continuare, arată ca toate celelalte date. Într-un computer clasic, dacă un pachet de informații presupus redundante apare ca fiind 11001, ar putea fi riscant să se presupună că 1-urile, care sunt puțin mai frecvente, sunt corecte, și că 0-urile sunt greșite. Dacă informațiile apar ca 11XX1, unde biții corupți sunt evidenți (XX) și mai ușor de cuantificat, cazul este mai convingător: „Erorile de ștergere sunt mult mai ușor de corectat, deoarece știi unde se află, ceea ce reprezintă un avantaj uriaș”, spune Thompson.
Erorile de ștergere și abordarea practică a acestora
Erorile de ștergere reprezintă un concept destul de bine înțeles în calculul convențional, dar cu toate acestea, cercetătorii nu luaseră în considerare, până acum, încercarea de a proiecta aceste calculatoare cuantice pentru a converti erorile în ștergeri. Practic, sistemul propus de echipa lui Thompson ar putea rezista la o rată de eroare de 4,1%. Asta se încadrează perfect în domeniul posibilităților pentru calculatoarele cuantice actuale. În sistemele anterioare, corecția, de ultimă generație, a erorilor, putea suporta mai puțin de 1% drept eroare, ceea ce, de altfel, se poziționa la limita (maximă) a capacității oricărui sistem cuantic actual cu un număr mare de qubiți (biți cuantici, analogi în informatica cuantică a unui bit din informatica clasică). Capacitatea echipei de a genera erori de ștergere s-a dovedit a fi un beneficiu neașteptat al unei alegeri făcute, spre surprinderea lui Thompson, cu ani în urmă. Cercetările sale explorează „qubiți atomici neutri”, în care informațiile cuantice („un qubit”) sunt stocate într-un singur atom; în acest scop, aceștia au utilizat elementul ytterbium (Yb).
Thompson a declarat că a ales ytterbiul pentru că are doi electroni în stratul său aflat la limita exterioară, în comparație cu majoritatea celorlalți qubiți de atomi neutri, care au doar unul. „Mă gândesc la el ca la un «cuțit elvețian», iar acest ytterbiu este «un cuțit elvețian mai mare și mai ascuțit decât restul»”, a spus Thompson. „Acest surplus de complexitate pe care îl obții datorită faptului că ai doi electroni îți oferă o mulțime de instrumente unice pentru manipulare”. Așadar, o utilizare a acestor „instrumente unice” s-a dovedit a fi utilă pentru eliminarea erorilor. Echipa a propus pomparea electronilor de ytterbiu din „starea fundamentală stabilă” a acestora, în stări numite „stări metastabile”, care pot avea o durată de viață lungă în condiții optime și potrivite, însă sunt, în mod inerent, fragile. Cercetătorii propun să folosească aceste stări pentru a putea codifica informații cuantice specifice.
„Este ca și cum electronii s-ar afla pe o coardă elastică, iar sistemul este proiectat de așa natură încât aceiași factori care cauzează erori să facă electronii «să cadă de pe funie»”, a declarat, cu încredere, Thompson. Acest progres a necesitat combinarea cunoștințelor în mai multe domenii cel al hardware-ului de calcul cuantic, cel al teoriei corecției cuantice a erorilor, valorificându-se, astfel, natura interdisciplinară a echipei de cercetare și colaborarea dintre aceștia. Chiar dacă mecanica acestei configurații este specifică atomilor de ytterbium ai lui Thompson, acesta chiar a recunoscut că ideea de a crea qubiți cuantici pentru a genera erori de ștergere ar putea fi utilă în alte sisteme, dintre care multe se află chiar acum în curs de dezvoltare, în întreaga lume. El a declarat că acest proiect este văzut „ca un fel de arhitectură pe care am putea clădi multe alte protocoale (…), și deja vedem o mulțime de interes pentru finanțarea proiectelor noastre”. Drept interese viitoare, grupul lui Thompson lucrează la demonstrarea conversiei erorilor în ștergeri într-un mic calculator cuantic funcțional care combină câteva zeci de qubiți.
