Niepowtarzające się wzory kafelków mogą chronić informację kwantową

Ta ekstremalna kruchość może sprawić, że obliczenia kwantowe wydają się beznadziejne. Ale w 1995 roku zastosował matematyk Peter Shor Odkryć Inteligentny sposób przechowywania informacji kwantowej. Jego kodowanie miało dwie główne cechy. Po pierwsze, może tolerować błędy, które wpływają tylko na poszczególne kubity. Po drugie, zawierała procedurę korygowania błędów w przypadku ich wystąpienia, zapobiegając ich kumulowaniu i zakłócaniu procesu obliczeniowego. Odkrycie Shora było pierwszym przykładem kodu kwantowego korygującego błędy, a jego kluczowe właściwości są cechą charakterystyczną wszystkich takich kodów.

Pierwsza właściwość wynika z prostej zasady: informacje poufne są mniej podatne na zagrożenia, gdy są podzielone. Sieci szpiegowskie stosują podobną strategię. Każdy szpieg wie bardzo niewiele o sieci jako całości, więc organizacja pozostaje bezpieczna, nawet jeśli dana osoba zostanie złapana. Jednak kody korekcji błędów kwantowych doprowadzają tę logikę do skrajności. W sieci szpiegostwa kwantowego żaden szpieg nie wiedziałby nic, a mimo to wiedzieliby dużo.

Każdy kod korekcji błędów kwantowych jest specyficznym przepisem na dystrybucję informacji kwantowej na wielu kubitach w zbiorczej superpozycji. Ta procedura skutecznie przekształca tablicę fizycznych kubitów w pojedynczy kubit wirtualny. Powtórz ten proces kilka razy z dużym zestawem kubitów, a otrzymasz wiele wirtualnych kubitów, których możesz użyć do wykonywania obliczeń.

Fizyczne kubity tworzące każdy wirtualny kubit są jak niczego niepodejrzewający kwantowi szpiedzy. Zmierz którykolwiek z nich, a nie dowiesz się nic o stanie wirtualnego kubitu, którego jest on częścią – jest to właściwość zwana lokalną nierozróżnialnością. Ponieważ każdy fizyczny kubit nie koduje żadnych informacji, błędy w poszczególnych kubitach nie spowodują zakłócenia obliczeń. Ważne informacje są wszędzie, w ten czy inny sposób, ale nigdzie w szczególności.

„Nie można powiązać go z żadnym pojedynczym kubitem” – powiedział Cubitt.

Wszystkie kody korekcji błędów kwantowych mogą pomieścić co najmniej jeden błąd bez żadnego wpływu na zakodowaną informację, ale wszystkie ostatecznie poddadzą się w miarę kumulacji błędów. I tu zaczyna się druga cecha kodów korekcji błędów kwantowych, czyli rzeczywista korekcja błędów. Jest to ściśle powiązane z lokalną nierozróżnialnością: ponieważ błędy w poszczególnych kubitach nie niszczą żadnej informacji, zawsze można Odwróć dowolny błąd Stosowanie ustalonych procedur dla każdego kodu.

Zabrany na przejażdżkę

Zhi Li, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Peripheral Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie, był dobrze zaznajomiony z teorią kwantowej korekcji błędów. Temat ten był jednak odległy od jego myśli, gdy rozpoczął rozmowę ze swoim kolegą Lathama Boyle’a. Była jesień 2022 roku i obaj fizycy jechali wieczornym promem z Waterloo do Toronto. Boyle, ekspert w dziedzinie niecyklicznego układania płytek, który mieszkał wówczas w Toronto, a obecnie pracuje na Uniwersytecie w Edynburgu, był dobrze znaną twarzą w tych autobusach, które często utknęły w dużym ruchu.

„Zwykle potrafią być dość nieszczęśliwi” – ​​powiedział Boyle. „To było coś najwspanialszego w historii”.

Przed tym pamiętnym wieczorem Lee i Boyle byli świadomi swojej pracy, ale obszary ich badań nie pokrywały się bezpośrednio i nigdy nie rozmawiali sam na sam. Jednak podobnie jak niezliczona liczba badaczy zajmujących się niepowiązanymi dziedzinami, Lee interesował się płytkami nieokresowymi. „Bardzo trudno nie być zainteresowanym” – powiedział.