Hilakirurgian demonstraatio edistää vikasietoista kvanttilaskentaa

ETH Zürichin tutkijoiden johtama tiedemiesryhmä esitteli hiljattain tavan kietoa kvanttibittejä hilakirurgian avulla. Prosessi mahdollistaa insinöörien tehokkaampien kvanttitietokoneiden valmistamisen, laajentaen näiden laitteiden jo ennestään vaikuttavia ominaisuuksia ja avaten oven tulevalle käyttöönotolle. Tässä on mitä sinun tulee tietää.

Mikä tekee kvanttitietokoneista perustavanlaatuisesti erilaisia

Monet pitävät kvanttitietokoneita seuraavana askeleena evoluutio tietokoneita. Nämä laitteet voivat tarjota tuhansia kertoja enemmän laskentatehoa, mikä tekee niistä ihanteellisia monimutkaisiin tieteellisiin laskelmiin ja muuhun.

Kvanttitietokoneet ovat osoittautuneet paljon tehokkaammiksi kuin perinteiset tietokoneet. Ne päihittävät perinteiset laitteet, koska ne käyttävät kubitteja, superpositiota, lomittumista ja interferenssiä tiedon käsittelyssä. Tämä rakenne mahdollistaa miljoonien laskelmien suorittamisen rinnakkain.

Miksi kvanttivirheiden korjaus on keskeinen pullonkaula

Kuitenkin, kun kyse on tallentamiseksi kvanttidatan kanssa se on paljon vaikeampaa kuin perinteisten bittien kanssa, jotka voidaan kopioida ja tallentaa. Kun tiedot noudetaan, kopioihin voidaan tehdä ristiviittauksia sen varmistamiseksi, ettei data vioitu.

Kvanttivirheiden korjaus on paljon monimutkaisempaa useista syistä. Ensinnäkin kvantti-kubitteja ei voida kopioida samalla tavalla kuin perinteisiä bittejä. Sen sijaan ne perustuvat kubittien väliin luotuihin kietoutuneisiin tiloihin. Tämä hauras tila voidaan helposti tuhota.

Bittikäännöt ja vaihekäännöt

Kvanttitietokoneiden on myös käsiteltävä dekoherenssia ja vaihesiirtoja. Kvanttitietokoneet ovat ainutlaatuisia siinä mielessä, että kubitit voivat yhtäkkiä ja ilman varoitusta siirtää vaihettaan positiivisesta negatiiviseksi. Tämä ongelma on tehnyt kvanttidatan tallentamisesta pitkiä aikoja vaikeampaa.

Näin insinöörit korjaavat tämän ongelman

Insinöörit ovat pyrkineet korjaamaan näitä kvanttimuutoksia useilla tavoilla. Yksi suosittu menetelmä on luoda looginen kubitti useista muista kubiteista. Kun kubitti on luotu, insinöörit korjaavat jatkuvasti virheitä varmistaakseen tarkkuuden.

Tämä prosessi vaatii tiedemiehiä mittaamaan jatkuvasti tarkoitukseen rakennettujen stabilisaattoreiden tilaa. Näiden stabilisaattoreiden avulla insinöörit voivat seurata kubitin muutoksia muuttamatta sen arvoa. Ne suorittavat tämän tehtävän tarjoamalla seurattavia bitti- ja vaihelukemia.

Tämä prosessi luo datakubitteja. Näitä kubitteja käytetään korjaustilan tallentamiseen. Ongelmia syntyy, koska useimmat kvanttitietokoneet käyttävät kaksiulotteisia suprajohtavien kubitien matriiseja.

Nämä kubitit pysyvät lukittuina avaruuteen, eikä niitä voida liikuttaa vahingoittamatta kvanttitilaa. Stabilisaattorit auttavat ylläpitämään vakautta. Ne voivat kuitenkin toimia vain vierekkäisten kubitien kanssa, mikä tarkoittaa, että ne sopivat ihanteellisesti vain kaksiulotteisiin kubittisovelluksiin ja niiden käyttömahdollisuudet ovat hyvin rajalliset.

Hilakirurgia kvanttibittien tutkimuksessa

Kvanttilaskennan kykyjen parantamiseksi ETH Zürichin ja Paul Scherrer -instituutin tutkijat julkaisivat artikkelin ”Hilakirurgia toteutettu kahdella etäisyys-kolme toistokoodilla suprajohtavilla kubiteilla¹” tutkimus Nature Physics -lehdessä.

Artikkelissa esitellään uusi menetelmä kvanttilomittumisen ja -stabilisaattoreiden tutkimiseen. Heidän uusi lähestymistapansa mahdollistaa kvanttitietokoneiden suorittaman kvanttioperaatioita suprajohtavien loogisten kubitien välillä samalla kun ne suorittavat reaaliaikaista virheenkorjausta.

Mikä on hilakirurgia kvanttilaskennassa?

Tämän uuden kehityksen ytimessä on hilakirurgia. Hilakirurgia yhdistää topologisia koodeja loogisten kubitien välillä. Tämä lähestymistapa tukee 2D-kubittijärjestelyjä vikasietoisten porttitoimintojen rinnalla.

Hilakirurgian avulla insinöörit pystyivät käyttämään logiikkaportteja koodattujen kubitien välillä, vaikka ne eivät sijaitsisi vierekkäin. Tämä strategia välttää kubitien suoran kosketuksen ja vähentää dekoherenssista aiheutuvia virheitä.

Hilakirurgia perustuu paikkausten käyttöön, jotka ovat kubitteja, joihin on lisätty stabilisaattoreita. Prosessi yhdistää nämä portit väliaikaisesti toisiinsa, mikä mahdollistaa pariteettitarkistukset ja suuremman kooditilan prosessoinnille. Merkillepantavaa on, että tämä työ on yksi ensimmäisistä kokeellisista demonstraatioista hilakirurgiasta, joka suoritetaan koodattujen loogisten kubitien välillä käyttäen suprajohtavaa pintakoodilaitteistoa ja samalla ylläpitäen reaaliaikaista virheenkorjausta operaation aikana.

Miten ristikkokirurgiakoe suoritettiin

Insinöörit suorittivat useita testejä varmistaakseen laskelmiensa oikeellisuuden. Ensin tiimi loi kvanttilaitteen. Looginen portti koostui 17 suprajohtavasta kubitista, jotka oli järjestetty karkeasti neliön muotoon.

Kahden lomittamisen jälkeen insinöörit keskittyvät jakotoimintoihin. Tätä varten he koodasivat loogiset kubitit bittikäännön toistoilla. Sitten he seurasivat stabilisaattoreiden tuloksia 1.66 mikrosekunnin välein ja suorittivat samalla bittikäännön ja vaihekäännön korjauksia.

Menetelmä jakaa pintakoodin neliön puoliksi, mikä helpottaa sen seurantaa ja testaamista. Testitulokset osoittivat kiistatta, että heidän teoriansa pitivät paikkansa.

Kvanttibittien hilakirurgia – testitulokset

Insinöörit huomasivat, että bitin kääntövirheet korjattiin reaaliajassa. He rekisteröivät parannuksen samaan prosessiin asetetuille koodaamattomille piireille verrattuna, minkä seurauksena insinöörit loivat onnistuneesti kaksi toisiinsa kietoutunutta loogista kubittia.

Kvanttibittien hilakirurgian hyödyt

Tällä tutkimuksella on monia etuja markkinoille. Ensinnäkin se avaa oven tehokkaammille ja tarkemmille kvanttitietokoneille. Kyky pienentää ja koodata vikasietoisuutta ja korjauksia näihin laitteisiin mahdollistaa tulevien iteraatioiden paremman suorituskyvyn ja vakauden.

Kvanttibittien hilakirurgia: tosielämän sovellukset ja aikajana

Tälle työlle on useita sovelluksia. Ensisijaisesti tämä tutkimus auttaa laajentamaan ja parantamaan orastavaa kvanttitietokonesektoria. Se tarjoaa näille laitteille uuden vakauden tason, jonka avulla insinöörit voivat luoda tehokkaampia yksiköitä, jotka käyttävät entistä useampia kubitteja toimintojensa ohjaamiseen.

Hilakirurgia kvanttibittien aikajanalla

Insinöörien mukaan on vielä paljon työtä tehtävänä, ennen kuin tämä teknologia on valmis ja sitä voidaan soveltaa nykypäivän edistyneissä kvanttilaitteissa. Voit kuitenkin odottaa näkeväsi tämän teknologian sovellettavan alalla seuraavien 7–10 vuoden aikana kvanttitietokoneiden yleistymisen ohella.

Hilakirurgia kvanttibittien kanssa: Tutkijat

Tutkimukseen osallistui tutkijoita useista merkittävistä instituutioista. Tutkimusartikkelia johti D-PHYS:n professori Andreas Wallraff, ja teoksen kirjoittivat yhdessä professori Markus Müller Aachenin RWTH:sta ja Jülichin tutkimuskeskuksesta.

Lehdessä mainitaan kirjoittajina myös Ilya Besedin, Michael Kerschbaum, Jonathan Knoll, Ian Hesner, Lukas Bödeker, Luis Colmenarez, Luca Hofele, Nathan Lacroix, Christoph Hellings, François Swiadek, Alexander Flasby, Mohsen Bahrami Panah ja Dante Colao Zanuz.

Hilakirurgia kvanttibittien tulevaisuudessa

Tämän teknologian tulevaisuus on valoisa. Tavoitteena on integroida se muihin viimeaikaisiin läpimurtoihin, jotta insinöörit voivat saavuttaa kokonaistavoitteensa rakentaa hyödyllisiä kvanttitietokoneita, jotka perustuvat tuhansiin kubitteihin kymmenien sijaan.

Investoiminen kvantti-innovaatioon

Kvanttilaskennan alaa hallitsevat useat tutkimusyritykset, jotka ovat investoineet miljoonia teknologiaan. Nämä ryhmät jatkavat teknologian tutkimista innovatiivisella hengellä ja auttavat paljastamaan aiemmin mahdottomiksi katsottuja lähestymistapoja. Tässä on yksi yritys, joka on auttanut edistämään tulevaa kehitystä ja käyttöönottoa.

Rigetti Computing

Chad Rigetti perusti Rigetti Computingin vuonna 2013 tavoitteenaan rakentaa maailman tehokkaimpia kvanttitietokoneita suprajohtavaa kubittiteknologiaa käyttäen. Toisin kuin IonQ, joka käyttää loukkuun jääneitä ioneja, Rigettin keskittyminen suprajohtaviin piireihin on läheisemmin linjassa ETH Zürichin tutkimuksen kanssa, jossa tutkitaan suprajohtavien loogisten kubitien hilakirurgiaa.

Vuonna 2018 Rigetti esitteli 128-kubittisen sirun, ja siitä lähtien yritys on ollut edelläkävijä "Full-Stack"-kvanttilaskennan kehittämisessä. Tähän sisältyy Fab-1-laitos, maailman ensimmäinen erillinen kvanttitehdas, jossa he suunnittelevat ja valmistavat omia kvanttiprosessoreitaan.

Rigetti on ottanut merkittäviä edistysaskeleita hybridikvanttiklassisessa laskennassa. Sen Quantum Cloud Services (QCS) -alusta integroi kvanttiprosessorit tehokkaaseen klassiseen infrastruktuuriin, mikä on välttämätöntä nykytutkimuksessa käsitellylle reaaliaikaiselle virheenkorjaukselle. Vuonna 2021 Rigetti listautui pörssiin fuusioitumalla Supernova Partners Acquisition Company II:n kanssa ja listautui NASDAQiin.

Rigetti kehittää aktiivisesti Ankaa-luokan järjestelmiään, jotka hyödyntävät viritettävien kytkimien neliömäistä hilaa. Tämä arkkitehtuuri on erityisesti suunniteltu tukemaan ETH Zürichin uusimmassa tutkimuksessa esiteltyä vikasietoista toimintaa ja loogista kubittikoodausta.

Viimeisimmät Rigetti Computingin (RGTI) uutiset ja suorituskyky

Hilakirurgia kvanttibittien päällä | Yhteenveto

Kvanttitietokoneet lupaavat vertaansa vailla olevaa laskentatehoa, mutta niiden hauraus on tehnyt niistä liian kalliita useimmille ihmisille käyttää tai omistaa. Tämä uusin tutkimus auttaa vakauttamaan näitä laitteita ja vie maailman askeleen lähemmäksi edullista ja luotettavaa vaihtoehtoa. Tästä ja muusta syystä nämä insinöörit ansaitsevat seisten osoitetut suosionosoitukset.

Lue lisää muista kvanttitietokoneiden läpimurroista täältä.

Viitteet

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). Hilakirurgia toteutettu kahdella etäisyys-kolme-toistokoodilla suprajohtavien kubitien avulla. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}