Fizičari su na kvantnom procesoru namjerno pokrenuli dinamiku koja širi kvantnu informaciju kroz sustav, a zatim je pokušali obuzdati mjerenjem i resetiranjem pojedinih kubita. Pokus na lancu do 100 kubita pokazao je da se takva kontrola može ponavljati tisućama puta dok ostatak procesora nastavlja raditi.
Za razvoj pouzdanijih kvantnih računala to je važna sposobnost: budući će uređaji morati otkrivati i ispravljati pogreške tijekom samog izračuna. Ovaj pokus ispituje ponovljenu kontrolu i povratnu informaciju, jednu od potrebnih sastavnica tog sustava. Još ne predstavlja kvantno računalo koje može samostalno ispraviti sve pogreške i pritom sačuvati proizvoljan izračun.
Rezultati tima iz IBM-a, sa Sveučilišta Rutgers i drugih ustanova objavljeni su u časopisu Nature Physics. Rad opisuje i nagli prijelaz između dvaju režima: u jednom prevladava širenje kvantne informacije, a u drugom mjerenja i resetiranja usmjeravaju sustav prema zadanom stanju.
Dvije su se operacije natjecale za prevlast
Eksperiment je izveden na IBM-ovu supravodljivom procesoru Heron sa 156 kubita, na uređaju nazvanom ibm_fez. Istraživači su iz njega odabrali povezani lanac do 100 kubita i programirali izmjenu dviju suprotstavljenih operacija.
Prva je širila kvantnu informaciju među kubitima i stvarala složene veze između njihovih stanja. Za to su primijenili kvantnu inačicu matematičkog postupka poznatog kao Bernoullijevo preslikavanje, koji služi proučavanju kaotične dinamike.
Druga je operacija lokalno mjerila kubite te ih, ovisno o rezultatu, vraćala u zadano stanje. Time je djelovala protiv širenja kvantne informacije. Istraživači su mijenjali vjerojatnost izvođenja jedne ili druge operacije i pratili koja će od njih prevladati.
Prema opisu Sveučilišta Rutgers, kontrola je preuzimala prevlast kada su provjere i resetiranja bili češći od operacija koje stvaraju kaotičnu dinamiku. Granica između tih režima nalazila se približno ondje gdje su dvije vrste zahvata bile podjednako zastupljene.
Zašto mjerenje usred rada nije jednostavna provjera
Obično računalo pohranjuje podatke u bitovima čija je vrijednost nula ili jedan. Kubit može biti u superpoziciji kvantnih stanja, a više kubita može biti međusobno spregnuto. Upravo su takva stanja važna za kvantne izračune, ali su osjetljiva na smetnje i pogreške u upravljanju.
Mjerenje pritom nije neutralan pogled na podatke. Ono mijenja kvantno stanje. Resetiranje također odbacuje prethodno stanje mjerenog kubita. Za korisno ispravljanje pogrešaka postupak treba organizirati tako da se otkrije pogreška, a da se ne izgubi informacija koju izračun mora sačuvati.
Ovdje je cilj bio jednostavniji i strogo određen: provjeriti mogu li lokalna mjerenja i povratne informacije usmjeravati veliku mrežu kubita tijekom njezina razvoja. Tim je izveo gotovo 5.000 operacija koje stvaraju kvantnu spregnutost te gotovo 5.000 mjerenja i resetiranja usred rada sklopa.
Maika Takita iz IBM-a u priopćenju ističe da izazov nije bio samo izmjeriti kubit, već to opetovano činiti dok ostatak procesora nastavlja raditi. Broj ponavljanja važan je jer će buduće ispravljanje pogrešaka zahtijevati takve zahvate tijekom dugih nizova računalnih operacija.
Nagli prijelaz potvrdio je teorijsko predviđanje
Kako se povećavao broj kubita, granica između kaotičnog i kontroliranog režima postajala je jasnija. Takvo zajedničko ponašanje mnogih dijelova sustava fizičari opisuju kao dinamički fazni prijelaz. U ovom se slučaju mijenja način na koji se kvantna informacija raspoređuje i uklanja mjerenjem.
Tim je eksperimentalne rezultate usporedio s teorijskim opisima i numeričkim simulacijama. Podudaranje je omogućilo provjeru svojstava prijelaza na sustavima većima od onih koje se može jednostavno pratiti potpunim izračunom njihova kvantnog stanja na klasičnom računalu.
Za ispravljanje pogrešaka preostaje razviti složenije postupke koji štite korisnu kvantnu informaciju. Pokus je pokazao da današnji hardver već može koordinirati velik broj operacija, mjerenja i resetiranja. Sljedeći je zahtjev tu kontrolu primijeniti tako da računalo zadrži pouzdan rezultat i kada pojedini kubiti pogriješe.
