miniatura|(Esquerra) La computació quàntica ideal assumeix qubits lògics perfectes. (Centre) La informàtica NISQ es basa en les quotes físiques susceptibles de soroll / errors (vermell 'X'). (Dreta) La informàtica quàntica tolerant amb falles utilitza la correcció d’errors quàntics per codificar un únic qubit lògic a través de múltiples qubits físics, protegint la informació lògica, fins i tot si els errors d’experiència física individual.

En la informació quàntica, la computació quàntica tolerant a fallades (FTQC) és un règim de processadors quàntics a gran escala que incorporen eficaçment la correcció d'errors quàntics per aconseguir taxes d'error arbitràriament baixes (és a dir, la seva taxa d'error lògic és molt inferior a la seva taxa d'error físic).

Els processadors FTQC complets són teòricament possibles, però encara no s'han realitzat experimentalment. Sovint es consideren l'objectiu final principal del desenvolupament de processadors quàntics i s'utilitzen per contrastar amb els processadors quàntics sorollosos d'escala intermèdia (NISQ) existents, que estan subjectes a soroll i descoherència que impedeixen la correcció d'errors escalable.

Una manera de fer realitat els dispositius FTQC és agrupant diversos qubits físics per crear un únic qubit lògic i utilitzant mètodes de correcció d'errors com ara el codi de superfície, de manera que el sistema combinat sigui tolerant a errors. Els dispositius FTQC proposats generalment inclouen centenars de qubits lògics (corregits per errors), cosa que significaria milers de qubits físics com a mínim.

La transició dels dispositius de l'era NISQ al règim FTQC és un tema de recerca obert en informació quàntica. És probable que calguin avenços tant a nivell de maquinari com d'algoritme perquè es produeixi la transició.

Història Quan es va teoritzar inicialment els ordinadors quàntics, no estava clar si serien capaços de superar els errors deguts al soroll. Tot i que els codis correctors d'errors quàntics, establerts per primera vegada per Peter Shor el 1995, van permetre protegir les dades d'aquests errors mitjançant redundàncies, va quedar clar que aquest procés de detecció i correcció d'errors podria produir més errors dels que eliminava.Shor, P. W., Scheme for reducing decoherence in quantum computer memory, Phys. Rev. A 52, 2493, 1995.

Per abordar aquest problema, els investigadors van començar a desenvolupar codis d'estabilitzadors quàntics i un formalisme d'estabilitzadors quàntics, que els van permetre establir protocols per a la computació quàntica tolerant a fallades. La culminació d'aquests esforços va ser demostrar el teorema del llindar de precisió, que estableix que, sota certes condicions, un ordinador quàntic amb una taxa d'error físic per sota d'un cert llindar pot suprimir la taxa d'error lògic a nivells arbitràriament baixos, fins i tot en presència de soroll i portes quàntiques imperfectes. La demostració del teorema del llindar significava que la computació quàntica fiable en presència de soroll i portes quàntiques imperfectes no només era possible, sinó també escalable. Això significava que un ordinador quàntic tolerant a fallades era físicament realitzable.

El concepte de FTQC com una direcció futura diferent, més que no pas una simple condició tècnica, va ser popularitzat per John Preskill, que va contrastar els processadors quàntics NISQ a curt termini amb l'objectiu final de la computació quàntica totalment tolerant a fallades. Des d'aquest article, FTQC s'ha convertit en un terme omnipresent per a règims corregits per errors més enllà de NISQ.

De NISQ a FTQC El desenvolupament proposat de la computació quàntica des de NISQ fins a FTQC se sol agrupar en dues o tres "eres" de dispositius de la manera següent:

Era NISQ Els dispositius NISQ són sensibles al soroll i tenen un gran nombre de graus de llibertat en comparació amb un ordinador clàssic, però no prou grans per realitzar una correcció d'errors de manera efectiva. Els algoritmes que s'executen en dispositius NISQ solen ser algoritmes híbrids clàssics-quàntics com ara el solucionador quàntic variacional.

Règim de computació quàntica tolerant a fallades primerenques (EFTQC) L'era EFTQC, o l'era FTQC primerenca, és una era intermèdia proposada entre NISQ i FTQC que redueix el nombre de qubits lògics i, per tant, limita la mida dels problemes que es poden resoldre, però al seu torn permet protocols tolerants a fallades eficients. Els processadors quàntics en el règim EFTQC encara serien capaços de resoldre problemes rellevants, com ara simular el model de Hubbard.

A partir del 2025, s'han demostrat operacions bàsiques tolerants a fallades en entorns de recerca. Els processadors Sycamore i Willow de Google han demostrat que augmentar la distància del codi de correcció d'errors (pràcticament, augmentar el nombre de qubits físics per qubit lògic) millora la taxa d'errors lògics per ronda de mesurament, cosa que indica que els dispositius FTQC primerencs són realitzables experimentalment. Tanmateix, aquestes tecnologies estan lluny del nombre de qubits lògics necessaris per a la FTQC pràctica.

Règim FTQC Tot i que els primers resultats experimentals han demostrat que la taxa d'error lògic es pot millorar, els dispositius FTQC també han de ser capaços de demostrar tolerància a fallades a gran escala per tal d'executar algoritmes de nivell tolerant a fallades. A causa de la importància d'aquest criteri, el règim FTQC de vegades es coneix com a règim quàntic a escala d'aplicació tolerant a fallades (FASQ), per indicar que aquests dispositius no només han de ser tolerants a fallades, sinó que també són prou grans per executar diverses aplicacions útils.

No hi ha un límit fix per a quan un processador quàntic tolerant a fallades ha arribat al règim d'escala d'aplicació i, per tant, és capaç d'aplicacions del món real. Un punt de referència qualitatiu proposat per John Preskill és la màquina "megaquop", un processador quàntic proposat que pot executar de l'ordre d'un milió d'operacions quàntiques coherents abans que els errors superin el càlcul.

Actualment, com que la correcció d'errors quàntics requereix codificar informació a través de múltiples qubits físics, les realitzacions de processadors quàntics FTQC requeririen un nombre molt gran de qubits físics. Per exemple, un enter RSA de 2048 bits utilitzant l'algoritme de Shor requeriria al voltant d'un milió de qubits superconductors.

Enfocaments per a la realització de dispositius FTQC Codis d'estabilitzadors topològics (codis de superfície) Els codis estabilitzadors funcionen preparant i mantenint qubits de dades, utilitzant qubits auxiliars per extreure els resultats de l'estabilitzador i repetint aquesta extracció per distingir entre errors de memòria i de dades. Aleshores, un descodificador, que normalment és un algoritme clàssic, inferirà la configuració d'error més probable i aplicarà les correccions en conseqüència. En aquest enfocament, les portes lògiques entre qubits lògics es realitzen mitjançant cirurgia de xarxa.

Els codis estabilitzadors són útils perquè tot és local, cosa que els fa compatibles amb les arquitectures 2D existents, com ara els xips superconductors. El principal problema d'aquest enfocament és la seva sobrecàrrega ; el nombre de qubits físics necessaris per aconseguir un únic qubit lògic tolerant a fallades és gran. Com a resultat, és difícil d'escalar. Un altre repte d'aquest enfocament és la universalitat. No és fàcil fer portes que no siguin de Clifford en un sistema de codi de superfície, però aquestes portes són necessàries per a un conjunt complet de portes. Una solució a això és la destil·lació d'estats màgics.

Codis LDPC A diferència del codi de superfície, els codis LDPC permeten que els qubits lògics s'escalin proporcionalment amb els qubits físics, reduint la quantitat de sobrecàrrega necessària per a FTQC en comparació amb els codis estabilitzadors. Tanmateix, els codis LDPC requereixen una connectivitat més complexa, ja que les comprovacions de paritat poden ser més llunyanes que el veí més proper. Com a resultat, l'FTQC basat en LDPC requeriria millores significatives en el maquinari i l'arquitectura per implementar-se a escala.

FTQC basat en mesures (MBQC) MBQC comença amb un recurs vast i preentrellaçat, com ara un "estat de clúster" 2D o 3D. A continuació, es realitzen mesures específiques d'un sol qubit sobre aquest estat de clúster. Durant aquestes mesures, s'implementen codis de correcció d'errors com el codi de superfície per protegir els qubits lògics. El benefici d'aquest enfocament és que, un cop generat l'estat entrellaçat gran, les operacions de la porta lògica són senzilles.

Aquest mètode és especialment prometedor per a plataformes d'alta connectivitat com ara ions atrapats i àtoms neutres.

Referències

Categoria:Computació quàntica Categoria:Ordinadors