Promieniowanie kosmiczne zaburza pracę komputerów kwantowych

Jednym w wyzwań, przed którym stoją twrcy komputerów kwantowych, jest opracowanie pracujących niezawodnie mechanizmów, które będą korygować błędy. Mając na uwadze jedno z przeprowadzonych ostatnio badań dotyczących tej kwestii, może to być trudne.

Grafika: Umberto/Unsplash

W klasycznych mechanizmach korygujących błędy, problem ten jest rozwiązywany w prosty, choć drogi sposób. Zamiast polegać na wyniku podanym przez pojedynczy kubit (co do którego nie mamy pewności, czy jest na pewno poprawny), projektanci stosują grupę kubitów, a wynik jest wtedy wypadkową konsensusu. W ten sposób ograniczamy do minimum liczbę błędów jakie może popełnić komputer kwantowy.

I tu pojawia się problem. Okazuje się bowiem, że w przypadku komputerów kwantowych za sprawą promieniowania kosmicznego taki mechanizm może nie zdać egzaminu. Promienie kosmiczne mają postać niewidzialnych gołym okiem, mikroskopijnych cząstek, które nieustannie bombardują Ziemię.

Zobacz również:

  • Powstał największy chip AI na świecie
  • Intel może stanąć w obliczu poważnego wyzwania
  • Szwedzka firma zaczęła produkować kwantowe chipy

Zazwyczaj cząstki takie uderzają w otaczającą Ziemię atmosferę, gdzie ulegają rozproszeniu, czyli są unieszkodliwiane. Jednak nie wszystkie i niewielka część takich cząstek dociera na powierzchnię naszego globu, nie robiąc nikomu krzywdy. Okazuje się jednak, że nie dotyczy to procesorów kwantowych, które nawet w przypadku dotarcia do nich śladowych ilości takich cząstek, zaczynają dawać tak dużo błędów, że żaden mechanizm korekcji błędów nie zdaje wtedy egzaminu.

Tezę taką zawarto w artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym Nature Physics. Zgodnie z odkryciem dokonanym przez grupę badaczy pracujących w Google Quantum AI, uderzenie promieniowania kosmicznego w rdzeń komputera kwantowego skutkuje powstaniem kwazicząsteczki zwanej fononem. Mają one zdolność zakłócania operacji kwantowych poprzez odwracanie stanu nie tylko pojedynczego kubitu, ale całego zestawu kubitów. Oznacza to, że mechanizm korekcji błędów bazujący na wynikach generowanych przez całą grupę kubitów nie zdaje egzaminu. Naukowcy muszą więc sięgnąć po inne rozwiązanie, względnie instalować komputery kwantowe za osłonami zatrzymującymi promieniowanie kosmiczne.

W eksperymencie opisanym w artykule naukowcy przetestowali grupę 26 kubitów, o których wiadomo, że należą do jednych z najbardziej niezawodnych. Kubity pozostawiono w stanie bezczynności na 100 mikrosekund, podczas których wielkość promieniowania kosmicznego była minimalna. Generalnie kubity nie powinny podczas tych 100 milisekund zmienić swojego stanu.

Oznacza to, że gdyby to były standardowe bramki krzemowe, bity mające stan „0” miałyby dalej taki stan, a bity mające stan „1” nie zmieniły by swojego stanu na „0”. Okazuje się, że tylko 4 kubity zmieniły wtedy swój stan. Oznacza to, że mechanizm korekcji błędów bazujących na tak dużej grupie kubitów poradzi sobie spokojnie z tym problemem.

Eksperyment powtórzono wtedy, gdy promieniowanie kosmiczne nasiliło się. Wtedy 24 z 26 kubitów przeszło do stanu przeciwnego. Ten wynik znacznie wykracza poza możliwości kompensacji oferowanej przez tradycyjne mechanizmy korekcji błędów. Taki wynik wprowadziłby błąd w całej grupie i mógłby zakwestionować ciągłość całego zadania przetwarzania danych.

Badanie potwierdziło przy tym, że błąd wywołany wzmożonym promieniowaniem kosmicznym zdarza się nawet co kilkanaście sekund. Oznacza to, że wielogodzinne zadania przetwarzania danych, z którymi mamy do czynienia w przypadku procesorów kwantowych, mogą zawierać setki, jeśli nie tysiące błędów. Sytuację pogarsza fakt, że testowany procesor kwantowy był niewielki, a procesory kwantowe najnowszej generacji bazują na setkach kubitów, które mogą dawać jeszcze więcej błędów.

Wydaje się, że problem ten można rozwiązać budując specjalne osłony chroniące komputery kwantowe przed promieniowaniem kosmicznym. Musiałaby to być bardzo solidna i droga tarcza, podobna do tych, które chronią obecnie przed takim promieniowaniem niektóre urządzenia używane przez astronomów. Artykuł nie sugeruje tu żadnych konkretnych rozwiązań sygnalizując tylko, że problem interferencji promieniowania kosmicznego teoretycznie jest możliwy do przezwyciężenia, co wymaga dalszych badań.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200