Kozmikus sugarak jelentik a kvantumszámítógépek végét?

Amikor a Google kvantumszámítógépén dolgozó kutatók találkoztak azzal a különös jelenséggel, hogy a kvantumprocesszor hibajavító algoritmusa időnként teljesen csődöt mond, a problémát a háttérsugárzásból, a kozmikus sugarakból, vagy egy kósza radioaktív izotóp természetes bomlásából származó energikus részecske művének tudták be. Volt egy belső poénjuk is erről, ami szerint évek munkájával és hatalmas pénzért építettek egy kozmikus sugárdetektort.

A szóban forgó kutatók azonban nagyon komolyan vették a problémát és a Nature Physicsben publikált dolgozatukban körüljárták a kérdést. Arra jutottak, lehetséges, hogy tényleg csak a sugárdetektornak lesz jó a drága kvantumszámítógép.

A kozmosz közbelép

A rádióaktivitás és kozmikus sugarak a hagyományos számítógépeknek is problémákat okoznak. Ezek működése ugyanis elektromos töltések mozgásán alapul, a kozmikus részecskék pedig töltést generálnak ott, ahová becsapódnak. A sugarak folyamatosan érkeznek, és ha a megfelelő ponton érik a hardvert, a bit nullából egyes lesz, vagy fordítva, és máris kész a baj.

A kvantum biteknél, vagy qubiteknél a részecske kvantumállapota hordozza az információt. A Google számítógépe esetében az ehhez tartozó hardver egy rezonátorra kötött szupravezető dróthurok. A sugarak itt is beleszólnak a dolgokba, csak kicsit másképp. A kozmikus sugár becsapódásának energiája rezgéseket kelt, amiben atomi szinten fononoknak nevezett kvázirészecskék jelennek meg. Ezek megváltoztathatják a kvantum hardver energiáját, kvázirészecske párokat hozhatnak létre, vagy közvetlenül magára a qubitre hathatnak.

Az nem lenne gond, ha a fononok csak egyetlen qubitet érintenének, a hibajavító algoritmus pontosan ennek a problémának a kezelésére szolgál: az információt több összefonódott qubitre osztja, oszt-szoroz, és megállapítja, hogy melyik qubit lóg ki a sorból.

A rezgés és kvázirészecskék azonban cseppet sem helyhez kötöttek, hanem szétterjednek és egy sor qubitre hathatnak.

A Google szakemberei egyszerű próbát tettek: a gépük 26 legstabilabb qubitjét egyforma kvantumállapotra állították, aztán vártak egy kicsit és megnézték, mennyi maradt ugyanabban az állapotban. 100 mikroszekundum alatt 26-ból átlagosan 4 qubit került hibás állapotba. Amikor egy kozmikus sugár becsapódott 24 qubit lett hibás annak ellenére, hogy körülbelül egy milliméterre helyezkedtek el egymástól.

A kvázirészecskék nagyon gyorsan elveszítik energiájukat, ezért nem képesek egy qubitet alapállapotból gerjesztett állapotba állítani. Képesek viszont ennek az ellenkezőjére: a gerjesztett qubitből energiát vesznek fel és nyugalmi állapotba állítják. Ez alapján, ha a kvázirészecskék okozzák a problémát, 26 gerjesztett qubitnél több hibát kell észlelniük, mint 26 nyugalmi állapotú qubitnél. A mérések igazolták ezt a feltevést.

Újratervezés

A gép gyorsasága lehetővé tette a kutatóknak, hogy megfigyeljék a hibák terjedését. Először csak a kozmikus sugár becsapódásának közvetlen környezetében jelentek meg, majd kiterjedtek és minden qubiten megemelték az átlagos hibaszintet.

Egy kérdés maradt csak: milyen időközönként következik ez be. Ha ritkán, elegendő kidobni a számításokat és újrakezdeni. A mérés itt is viszonylag rossz hírrel szolgált: átlagosan 10 percenként következett be ilyen hiba. Ez azért probléma, mert bizonyos számítások a kvantumszámítógépeknek órákat vehetnek igénybe – és itt olyan számításokról beszélünk, amiket hagyományos számítógépek nem tudnak megoldani. A 10 perces átlagos becsapódási időt ráadásul egy viszonylag kicsi processzoron mérték, a helyzet a hardver méretével egyenes arányban romlik.

A probléma megoldásával kapcsolatban a kutatók feltételes módban fogalmaznak. A csillagászok már előttük belefutottak képalkotó eszközeikkel ugyanebbe a problémába, ők úgy oldották meg, hogy detektoraik fizikai felépítését átalakítva próbálták útját állni a fononok terjedésének. Hogy ez megoldható-e, egy kvantumszámítógép esetében más kérdés, de egy kutatást biztosan megér.

(Ars Technica, Wikipedia)