การนำโปรโตคอลการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมไปปฏิบัติจริงซึ่งเสนอครั้งแรกในปี 2544 ประสบความสำเร็จโดยนักฟิสิกส์ในสหรัฐอเมริกาและฝรั่งเศส โปรโตคอลนี้ช่วยเพิ่มเวลาที่เชื่อมโยงกันของหน่วยความจำควอนตัมและแม้ว่างานจะยังเป็นเบื้องต้น แต่ก็อาจช่วยให้สามารถใช้ควอนตัมบิต (qubits) ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อย่างประหยัดมากขึ้น
เสียงรบกวนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในทุกระบบ
และคอมพิวเตอร์ทั่วไปใช้การแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อหยุดเสียงรบกวนจากการคำนวณที่เสียหาย ในคอมพิวเตอร์ควอนตัม ข้อผิดพลาดเกี่ยวกับเสียงเป็นปัญหาที่สำคัญกว่ามาก เนื่องจากลักษณะที่ละเอียดอ่อนของสถานะควอนตัมที่ใช้ในการสร้าง qubits
ข้อผิดพลาดในคอมพิวเตอร์ควอนตัมมาจากแหล่งคลาสสิกโดยพื้นฐานแล้วMichel Devoretจากมหาวิทยาลัยเยลในคอนเนตทิคัตอธิบาย: “การคำนวณนั้นตกรางจากสัญญาณรบกวนจากปรสิตหรือสัญญาณรบกวนจากความร้อน” อย่างไรก็ตาม การแก้ไขข้อผิดพลาดไม่ใช่เรื่องง่าย “เมื่อคุณกำลังซ่อมแซมข้อผิดพลาด คุณอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดใหม่ๆ เนื่องจากการวัดมีการบุกรุกในกลศาสตร์ควอนตัม” Devoret กล่าว
โซลูชันที่ไม่ใช่ในพื้นที่กุญแจสำคัญในการเอาชนะ
ปัญหานี้อยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่าสัญญาณรบกวนอยู่ในตัว – มันไม่ส่งผลกระทบต่อส่วนต่าง ๆ ของระบบในลักษณะที่ไม่สุ่ม หากข้อมูลควอนตัมถูกเก็บไว้ที่ไม่ใช่ในเครื่อง ดังนั้นจึงควรกู้คืนได้ อัลกอริธึมการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมส่วนใหญ่ทำได้โดยใช้หลาย qubits เพื่อเข้ารหัสข้อมูลเดียวกัน อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ยาครอบจักรวาล เนื่องจากการเพิ่มจำนวน qubits ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ใช่เรื่องง่าย ตัวอย่างเช่น เครื่อง Sycamore ของ Google ซึ่งอ้างว่าได้เปรียบด้านควอนตัมในปี 2019 มีเพียง 54 qubits
ย้อนกลับไปในปี 2544 นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีDaniel Gottesman , Alexei KitaevและJohn Preskillเสนอการจัดเก็บข้อมูลที่ไม่ใช่ในเครื่องในสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ของออสซิลเลเตอร์ซึ่งกลายเป็นที่รู้จักในชื่อรัฐ GKP “ทุกคนรู้ดีว่าหลักการความไม่แน่นอนบอกว่าคุณไม่สามารถวัดด้วยความแม่นยำตามอำเภอใจทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของออสซิลเลเตอร์ฮาร์มอนิก” Preskill ผู้ซึ่งอยู่ที่ Caltech อธิบาย “แต่ปรากฎว่าคุณสามารถเตรียมสถานะของอนุภาคหรือออสซิลเลเตอร์ได้ จากนั้นใครบางคน – ในขณะที่หันหลังของคุณ – สามารถเข้ามาและเปลี่ยนตำแหน่งและโมเมนตัมเล็กน้อย และคุณสามารถวัดการเลื่อนทั้งสองเพื่อความแม่นยำตามอำเภอใจได้ คุณสัญญาว่าพวกเขามีขนาดเล็ก หากคุณดูสถานะใดสถานะหนึ่งเหล่านี้ในพื้นที่ตำแหน่ง มันจะดูเหมือนตาราง และถ้าคุณดูในสเปซโมเมนตัม มันก็จะมีลักษณะเดียวกัน ดังนั้น หากคุณเลื่อนหวีน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของระยะห่างระหว่างฟัน คุณจะสามารถวัดระยะห่างที่หวีได้
“การค้นพบเชิงทฤษฎีด้วยวิสัยทัศน์”เมื่อทั้งสามคนตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาครั้งแรก Devoret กล่าวว่าหนังสือพิมพ์ได้รับความสนใจเพียงเล็กน้อยเท่านั้น “ผมคิดว่าบทความนี้เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของการค้นพบทางทฤษฎีที่มีวิสัยทัศน์ซึ่งเกิดขึ้นเร็วเกินไป” เขากล่าว “ฉันจำได้ว่าอ่านบทความนี้และคิดว่า ‘มันดูฉลาดมากแต่ไม่ค่อยมีประโยชน์’”
อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ปี 2544 นักวิจัยมีความเชี่ยวชาญ
มากขึ้นในการสร้างสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ในแพลตฟอร์มต่างๆ นอกจากนี้ พวกเขาได้ตระหนักว่า เช่นเดียวกับการแก้ไขการกระจัดเล็กน้อยในตำแหน่งและโมเมนตัม สถานะ GKP ยังสามารถชดเชยได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ารัฐอื่นๆ สำหรับสัญญาณรบกวนที่มีนัยสำคัญมากขึ้นที่เกิดจากการสูญเสียโฟตอนจากสถานะคบิต
ปีที่แล้ว นักวิจัยจาก ETH Zurich ในสวิตเซอร์แลนด์ได้สร้างรัฐ GKP ใน qubits ที่ทำจากไอออนที่ติดอยู่ ซึ่งเป็นคู่แข่งสำคัญสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง ตอนนี้ Devoret และเพื่อนร่วมงานที่ Yale และ Inria Paris Research Center ได้สาธิตการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมของ qubit ที่เข้ารหัสในเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมชั้นนำอื่น ๆ – qubits ที่ทำจากวงจรตัวนำยิ่งยวด
อายุการใช้งานสองเท่า
นักวิจัยได้เริ่มต้น qubits ในสถานะเฉพาะและวัดอายุขัยโดยใช้และไม่ใช้อัลกอริธึมการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัม พวกเขาพบว่าอัลกอริธึมการแก้ไขข้อผิดพลาดเพิ่มอายุการใช้งานของสถานะควอนตัมทั้งหมดเป็นสองเท่าเป็นประมาณ 250 μs “ในการทดลองของเรา เราแค่ปกป้องหน่วยความจำ” Devoret กล่าว “ขั้นตอนต่อไปคือการแสดงการคำนวณที่ทนทานต่อข้อผิดพลาด: คุณต้องการปกป้องการทำงานและแก้ไขข้อผิดพลาดในขณะที่คุณกำลังคำนวณ”
พรีสกิลรู้สึกประทับใจ “จนถึงตอนนี้ พวกเขาได้แสดงให้เห็นเพียงการปรับปรุงที่ค่อนข้างเจียมเนื้อเจียมตัวในสิ่งที่พวกเขาสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้สถานะพิเศษที่สามารถต้านทานข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้” เขากล่าว “แต่นี่เป็นขั้นตอนที่สำคัญ”
ซอฟต์แวร์ควอนตัมขายยากตามที่ John Martinisแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารากล่าวเสริมว่า “ฉันคิดว่านี่เป็น [ความสำเร็จ] ที่น่าสนใจจริงๆ และเป็นก้าวต่อไปสำหรับภาคสนาม เพราะพวกเขาสร้าง qubit เชิงตรรกะที่มีการป้องกันข้อผิดพลาดนี้โดยใช้แนวคิดที่มีมาช้านาน พวกเขาแสดงให้เห็นว่ามันใช้งานได้”
Martinis ซึ่งเพิ่งทำงานที่ห้องปฏิบัติการ AI ของ Google ในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม เตือนว่าการปรับปรุงครั้งใหญ่อาจจำเป็นเพื่อแข่งขันกับแนวทางกำลังเดรัจฉาน “ถ้าคุณดูที่เทคโนโลยีของคอมพิวเตอร์ เรารู้ดีว่าเมื่อเวลาผ่านไป ผู้คนเรียนรู้วิธีสร้างบิตจำนวนมาก – เราจึงสามารถสร้าง qubit ได้มากมาย ข้อได้เปรียบที่นี่คือคุณทำการแก้ไขข้อผิดพลาดภายในโดยใช้หนึ่ง qubit ที่มีสถานะซับซ้อน ดังนั้นคุณไม่จำเป็นต้องขยายขนาด แต่ถ้าคุณไม่ขยายอายุการใช้งานหลายพันหรือล้านครั้ง มันจะมีประโยชน์เพียงใด ” เขาพูดว่า.
