Un experiment realizat de cercetători americani ar putea contribui la dezvoltarea unor computere cuantice mai stabile și mai performante. Oamenii de știință au demonstrat că pot controla repetat anumite procese cuantice în timp ce procesorul continuă să funcționeze. Acesta este un pas important către sistemele capabile să detecteze și să corecteze erorile în timpul calculelor. Studiul a fost publicat în revista științifică Nature Physics.
Computerele cuantice, tot mai aproape de depășirea unei probleme majore
Computerele cuantice sunt considerate una dintre tehnologiile cu potențialul de a transforma domenii precum cercetarea medicală, inteligența artificială și dezvoltarea materialelor.
Totuși, aceste sisteme se află încă într-o fază de dezvoltare. Utilizarea lor la scară largă este limitată de dificultățile tehnice.
Una dintre cele mai importante provocări este corectarea erorilor cuantice.
Spre deosebire de calculatoarele obișnuite, procesoarele cuantice sunt extrem de sensibile la influențele din mediul înconjurător. Perturbările pot modifica stările cuantice și pot afecta rezultatele calculelor.
Pentru ca această tehnologie să devină mai fiabilă, cercetătorii trebuie să dezvolte metode prin care erorile să poată fi identificate și corectate. Acest lucru trebuie realizat fără întreruperea operațiunilor.
Experiment pe un procesor IBM Quantum Heron cu 156 de qubiți
O echipă de cercetători din Statele Unite a testat o abordare experimentală folosind un procesor IBM Quantum Heron cu 156 de qubiți.
În cadrul testelor au fost utilizați simultan până la 100 de qubiți.
Cercetătorii au alternat două tipuri de operațiuni: unele care favorizau răspândirea informației cuantice în sistem. Altele introduceau măsurători și resetări pentru a controla evoluția acestuia.
Scopul experimentului a fost studierea modului în care aceste procese interacționează atunci când sunt repetate în timpul funcționării procesorului.
Rezultatele oferă informații despre condițiile în care un sistem cuantic poate fi menținut sub control. Aceasta se aplică chiar dacă evoluția sa este complexă.
De ce este atât de dificilă corectarea erorilor cuantice
Calculatoarele clasice folosesc biți, care pot avea una dintre două valori: 0 sau 1. În schimb, computerele cuantice utilizează qubiți, care pot exista în superpoziții ale stărilor 0 și 1.
Această proprietate permite efectuarea unor operațiuni diferite de cele disponibile calculatoarelor tradiționale. Există însă și un dezavantaj important.
Stările cuantice sunt fragile și pot fi afectate de zgomot, variații de temperatură și interacțiuni nedorite cu mediul. În plus, măsurarea unui qubit poate influența starea sistemului, ceea ce complică verificarea informației.
Din acest motiv, corectarea erorilor cuantice necesită metode speciale, diferite de cele utilizate în informatica tradițională.
Cercetătorii au testat măsurători și resetări repetate
Un element important al experimentului a fost capacitatea de a efectua operațiuni repetate asupra unor qubiți. Acest lucru a fost posibil în timp ce restul procesorului continua să funcționeze.
Această abordare este relevantă pentru dezvoltarea viitoarelor calculatoare cuantice tolerante la erori.
Potrivit fizicianului Jedediah Pixley, de la Universitatea Rutgers, verificările și corecțiile trebuie să poată fi repetate de foarte multe ori. Acest lucru este necesar pe durata unui calcul cuantic.
De asemenea, fiziciana Maika Takita, de la IBM, a evidențiat dificultatea realizării măsurătorilor repetate fără oprirea funcționării celorlalte componente ale procesorului.
Experimentul nu demonstrează încă existența unui computer cuantic complet capabil să își corecteze singur toate erorile. El oferă însă o perspectivă asupra mecanismelor care ar putea face posibilă o asemenea funcționare.
O tranziție de fază observată în sistemul cuantic
Cercetătorii au analizat ce se întâmplă atunci când modifică raportul dintre operațiunile care răspândesc informația și cele care urmăresc controlul sistemului.
Rezultatele au evidențiat un prag la care comportamentul procesorului se schimbă. Pe măsură ce numărul qubiților utilizați a crescut, această schimbare a devenit mai clară.
Fenomenul este descris prin conceptul de tranziție de fază cuantică indusă de măsurători.
Pentru a înțelege ideea, poate fi folosită o comparație cu transformarea apei în gheață. Astfel, atunci când anumite condiții se modifică, întregul sistem începe să se comporte diferit.
În experimentul cuantic, schimbarea nu privește temperatura sau starea fizică a apei. Totuși, ea privește modul în care informația cuantică este distribuită și controlată.
Fizicianul Haining Pan, de la Universitatea din Florida, a arătat că apropierea dintre rezultatele experimentale și modelele teoretice susține existența unui comportament colectiv. Acest rezultat nu reprezintă doar un efect izolat.
Ce ar putea schimba această descoperire în viitor
Dezvoltarea unor computere cuantice tolerante la erori ar putea permite realizarea unor calcule care sunt în prezent foarte dificil de efectuat. Printre domeniile care ar putea beneficia de această tehnologie se numără:
- Cercetarea farmaceutică, prin simularea unor molecule și procese chimice complexe.
- Știința materialelor, pentru studierea proprietăților unor substanțe și dezvoltarea de noi materiale.
- Inteligența artificială, prin explorarea unor metode noi de calcul și optimizare.
- Modelarea sistemelor complexe, inclusiv pentru anumite probleme din fizică și chimie.
Aceste aplicații reprezintă direcții de cercetare și nu înseamnă că procesoarele cuantice actuale pot depăși deja calculatoarele clasice în toate aceste domenii.
Când vor deveni computerele cuantice suficient de performante?
Deși cercetarea aduce rezultate importante, dezvoltarea unui computer cuantic complet tolerant la erori rămâne o provocare.
Sunt necesare progrese suplimentare în ceea ce privește stabilitatea qubiților, precizia operațiunilor și metodele de protejare a informației cuantice.
De asemenea, demonstrarea controlului asupra unor procese cuantice nu este echivalentă cu implementarea unui sistem complet de corectare automată a erorilor.
Noul studiu reprezintă un pas către înțelegerea modului în care procesoarele cuantice pot funcționa mai fiabil. Totuși, studiul nu anunță încă apariția unor calculatoare cuantice lipsite de erori.
Sursa: descopera.ro
