Sebuah penelitian mengungkap batasan seberapa jauh kesalahan kuantum dapat “dihilangkan” dalam sistem besar

Komputer kuantum memiliki potensi untuk mengungguli komputer klasik dalam beberapa masalah pemrosesan informasi yang relevan secara praktis, bahkan mungkin dalam pembelajaran mesin dan pengoptimalan. Namun penyebarannya secara luas belum memungkinkan, terutama karena mereka sensitif terhadap kebisingan, sehingga membuat mereka melakukan kesalahan.

Ada teknologi yang dirancang untuk menangani kesalahan ini yang dikenal sebagai koreksi kesalahan kuantum, yang dirancang untuk bekerja “on the fly,” memantau kesalahan dan memulihkan perhitungan ketika terjadi. Meskipun ada kemajuan luar biasa dalam beberapa bulan terakhir dalam hal ini, strategi ini secara eksperimental masih sangat menantang dan memerlukan biaya sumber daya yang signifikan.

Pendekatan alternatif, yang dikenal sebagai mitigasi kesalahan kuantum, bekerja dengan cara yang lebih tidak langsung: alih-alih mengoreksi kesalahan saat kesalahan tersebut muncul, perhitungan yang dipenuhi kesalahan (atau versi modifikasinya) dijalankan hingga selesai. Hanya pada akhirnya, seseorang dapat kembali untuk menarik kesimpulan yang benar. Metode ini telah diusulkan sebagai “solusi” untuk mengatasi kesalahan yang dibuat oleh komputer kuantum sebelum koreksi kesalahan penuh dapat diterapkan.

Namun, para peneliti di MIT, École Supérieure de Lyon, Universitas Virginia, dan Free University of Berlin telah menunjukkan bahwa teknik mitigasi kesalahan kuantum menjadi sangat tidak efektif seiring dengan semakin besarnya ukuran komputer kuantum.

Ini berarti bahwa mitigasi kesalahan tidak akan menjadi solusi jangka panjang terhadap masalah kebisingan yang selalu ada dalam komputasi kuantum. Itu telah diterbitkan di dalam Fisika alamLaporan ini memberikan panduan mengenai skema yang hampir pasti tidak efektif untuk memitigasi dampak negatif kebisingan pada komputasi kuantum.

“Kami berpikir untuk menerapkan batasan pada komputasi kuantum jarak pendek menggunakan gerbang kuantum yang berisik,” kata rekan penulis studi Jens Eisert kepada Phys.org.

“Rekan setim kami Daniel Stelke baru saja membuktikan Prancis sebuah hasil Ini merupakan batasan yang kuat bagi komputasi kuantum dalam waktu dekat. Dia menunjukkan bahwa untuk kebisingan terpolarisasi, pada kedalaman logaritmik, seseorang dapat mencapai keadaan kuantum yang dapat ditangkap menggunakan teknik pengambilan sampel klasik yang efisien. “Kami baru saja berpikir tentang mitigasi kesalahan kuantum, tapi kemudian kami berpikir: ‘Tunggu, apa artinya semua ini bagi mitigasi kesalahan kuantum?’

Makalah terbaru yang ditulis oleh Yihui Kuek, Daniel Stelke-France, Sumeet Khatri, Johannes Jakob Mayer, dan Jens Eisert didasarkan pada pertanyaan penelitian ini, yang bertujuan untuk mengeksplorasi batasan yang tepat dari mitigasi kesalahan kuantum. Temuan mereka mengungkapkan bagaimana mitigasi kesalahan kuantum dapat membantu mengurangi dampak kebisingan pada komputasi kuantum jarak pendek.

“Mitigasi kesalahan kuantum dimaksudkan sebagai alternatif terhadap koreksi kesalahan kuantum karena penerapannya memerlukan rekayasa yang kurang tepat, sehingga ada harapan bahwa hal ini dapat dijangkau, bahkan untuk kemampuan eksperimental,” Yihui Kuek, penulis utama makalah ini , mengatakan kepada Phys.org saat ini”.

“Tetapi ketika kami melihat skema mitigasi yang relatif lebih sederhana ini, kami mulai menyadari bahwa mungkin Anda tidak dapat memiliki kue dan memakannya — ya, skema tersebut memerlukan lebih sedikit qubit dan kontrol, namun hal ini sering kali harus mengorbankan menjalankan sistem mitigasi yang lebih sederhana. seluruh sistem dengan jumlah yang sangat mengkhawatirkan.”

Contoh skema mitigasi yang ditemukan memiliki keterbatasan oleh tim adalah apa yang dikenal sebagai “ekstrapolasi tanpa kesalahan.” Skema ini bekerja dengan meningkatkan jumlah kebisingan dalam sistem secara bertahap dan kemudian mengubah hasil perhitungan yang paling berisik menjadi skenario bebas kebisingan.

“Pada dasarnya, untuk memerangi kebisingan, Anda harus meningkatkan kebisingan di sistem Anda,” jelas Quick. “Bahkan secara intuitif, hal ini jelas tidak dapat diukur.”

Sirkuit kuantum (yaitu, prosesor kuantum) terdiri dari beberapa lapisan gerbang kuantum, yang masing-masing diberi masukan dan dilanjutkan dengan perhitungan yang dilakukan pada lapisan sebelumnya. Namun jika gerbangnya berisik, setiap lapisan dalam sirkuit menjadi pedang bermata dua: saat ia memajukan komputasi, gerbang itu sendiri menimbulkan kesalahan tambahan.

“Hal ini mengarah pada paradoks yang mengerikan: Anda memerlukan banyak lapisan gerbang (dan karenanya sirkuit yang dalam) untuk melakukan perhitungan yang tidak sepele,” kata Quick.

“Namun, sirkuit yang lebih dalam juga lebih berisik – dan kemungkinan besar akan menghasilkan lebih banyak hal yang tidak masuk akal. Oleh karena itu, ada perlombaan antara kecepatan di mana Anda dapat melakukan penghitungan dan kecepatan di mana kesalahan dalam penghitungan terakumulasi.”

“Pekerjaan kami menunjukkan bahwa ada sirkuit yang sangat kompleks yang kecepatan responsnya jauh lebih cepat dari yang diperkirakan sebelumnya, sedemikian rupa sehingga untuk memperlancar sirkuit yang rumit ini, Anda perlu menjalankannya dalam jumlah yang tidak mungkin algoritma spesifik yang Anda gunakan.” Untuk mengurangi tingkat keparahan kesalahan.

Studi terbaru yang dilakukan oleh Quick, Eisert, dan rekan mereka menunjukkan bahwa mitigasi kesalahan kuantum tidak berskala seperti yang diperkirakan beberapa orang. Faktanya, tim menemukan bahwa seiring bertambahnya ukuran sirkuit kuantum, upaya atau sumber daya yang diperlukan untuk menjalankan mitigasi kesalahan meningkat secara eksponensial.

“Seperti halnya semua teori penolakan, kami lebih memilih melihatnya sebagai sebuah undangan daripada sebuah hambatan,” kata Eisert.

“Mungkin dengan menggunakan komponen-komponen lokal yang terhubung secara geometris, kita akan mendapatkan kondisi yang lebih optimis, sehingga batas-batas kita mungkin terlalu pesimistis untuk mengurangi kesalahan kuantitatif.”

Temuan tim peneliti ini dapat menjadi panduan bagi fisikawan dan insinyur kuantum di seluruh dunia, menginspirasi mereka untuk merancang skema alternatif dan lebih efektif untuk memitigasi kesalahan kuantum. Selain itu, hasil ini dapat menginspirasi penelitian lain yang berfokus pada aspek teoritis rangkaian kuantum acak.

“Pekerjaan yang jarang dilakukan sebelumnya pada algoritma individual untuk memitigasi kesalahan kuantum menunjukkan bahwa skema ini tidak dapat diskalakan,” kata Quick.

“Kami menemukan kerangka kerja yang mengakomodasi sebagian besar algoritma individual ini. Hal ini memungkinkan kami untuk berargumen bahwa kekurangan yang diamati oleh orang lain ini berakar pada gagasan mitigasi kesalahan kuantum itu sendiri – dan tidak ada hubungannya dengan hal tersebut. implementasi tertentu.”

“Hal ini dimungkinkan oleh mesin matematika yang kami kembangkan, yang mewakili hasil terkuat yang diketahui hingga saat ini mengenai seberapa cepat sirkuit kehilangan informasi kuantumnya karena gangguan fisik.”

Di masa depan, makalah yang ditulis oleh Quick, Eisert, dan rekan-rekan mereka dapat membantu para peneliti mengidentifikasi jenis skema mitigasi kesalahan kuantum yang kemungkinan besar tidak efektif. Wawasan konseptual dasar dari hasil tim ini adalah untuk mengkristalkan intuisi bahwa gerbang jarak jauh (yaitu gerbang dengan qubit yang dipisahkan oleh jarak yang jauh) dapat berguna sekaligus menimbulkan masalah, karena gerbang tersebut dengan mudah menghasilkan keterikatan, memajukan komputasi sekaligus menyebarkan… Kebisingan dalam sistem lebih cepat.

“Hal ini tentu saja membuka pintu bagi pertanyaan apakah mungkin untuk mencapai keunggulan kuantum tanpa menggunakan ‘penyebar super’ kuantum dan musuh terburuknya (yaitu kebisingan),” tambah Quick. “Perlu dicatat bahwa tidak semua hasil kami berlaku ketika qubit tambahan baru diperkenalkan di tengah-tengah komputasi, sehingga sejumlah hal tersebut mungkin diperlukan.”

Dalam studi berikutnya, para peneliti berencana untuk mengalihkan fokus dari permasalahan yang mereka identifikasi ke solusi potensial untuk mengatasi permasalahan tersebut. Beberapa rekan mereka telah membuat beberapa kemajuan dalam arah ini, dengan menggunakan kombinasi pengukuran stokastik dan teknik mitigasi kesalahan kuantitatif.

© 2024 Web Sains