Problémem kvantových počítačů jsou nejenom samotné výpočty, ale i spolehlivost jejich počátečního nastavení.
Tým kvantových inženýrů z UNSW Sydney nyní oznámil vývoj metody, která umožňuje resetovat kvantový počítač, tj. připravit kvantový bit ve stavu 0, s velmi vysokou spolehlivostí, která je nutná pro smysluplné kvantové výpočty. Metoda je překvapivě jednoduchá: souvisí se starým konceptem Maxwellova démona – tj. systému, který od sebe dokáže oddělovat pomalé a rychlé částice a energii pak získávat z příslušných gradientů (respektive z oddělených rychlých molekul obsahujících více energie).
V roli příslušného „démona“ funguje rychlý digitální voltmetr, který dokáže sledovat teploty elektronu náhodně vytaženého z jejich souboru. Ochlazení tohoto elektronu pod teplotu příslušného souboru pak odpovídá vysoké pravděpodobnosti až jistotě, že elektron reprezentuje stav 0. Vedoucí výzkumného týmu Andrea Morello vysvětluje, že to vše má za účel ověření, že výpočet na kvantovém počítači začne se správně nastavenými hodnotami jednotlivých qubitů: „Kvantové počítače jsou užitečné pouze tehdy, pokud mohou dojít ke konečnému výsledku s velmi nízkou pravděpodobností chyb. Bez ohledu na spolehlivost samotných kvantových operací je přitom jasné, ale pokud výpočet začne od špatných dat, bude chybný i konečný výsledek. Náš digitální Maxwellův démon nám přitom dává 20x přesnější možnost, jak začátek výpočtu nastavit.“
„Obvyklý způsob přípravy kvantového stavu elektronu je uvedení systému na extrémně nízkou teplotu blízkou absolutní nule. Pak lze doufat, že všechny elektrony zaujmou stejný nízkoenergetický stav (0),“ uvádí hlavní experimentální autor nové studie Mark Johnson. „Bohužel i při použití těch nejvýkonnějších chladicích systémů stále zůstávala až 20procentní možnost chyby.“ Taková chybovost je ovšem pro praktické využití kvantových počítačů nepřijatelná. Rychlý měřicí přístroj dokáže ovšem stav elektronu zkontrolovat a rozhodnout, zda ho pro další výpočty ponechat. Tím pravděpodobnost chyby klesne z 20 % na 1 %. Právě tato hodnota se považuje přibližně za limit, práh akceptovatelné tolerance chyb v kvantových počítačích. Platí to pro všechny typy chyb, ať už jde o vstupní nastavení, vlastní výpočet nebo čtení výsledků.
Morello a jeho kolegové již v minulosti dokázali zvýšit spolehlivost (věrnost, fidelity) kvantových výpočtů založených na systémech spinů elektronů v křemíku.
Mark A. I. Johnson et al, Beating the Thermal Limit of Qubit Initialization with a Bayesian Maxwell’s Demon, Physical Review X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.041008
Zdroj: University of New South Wales / Phys.org
