Az Amazon lett a harmadik technológiai óriáscég, amely az elmúlt hónapokban áttörést jelentett be a kvantumszámítástechnikában - egy olyan technológiában, amely hatalmas feldolgozási teljesítményt ígér, de technikai nehézségekkel küszködik.

Az Amazon bemutatta az Ocelot prototípus chipet, amely a „macskaqubit” technológiára épül - ez a megközelítés a híres „Schrödinger macskája” gondolatkísérletről kapta a nevét. A chip a kvantumszámítógépek fejlesztésének egyik legnagyobb akadályát, a hibamentessé tételt igyekszik megoldani. Az Amazon szerint - az iparágban a közelmúltban elért más áttörésekkel együtt - munkájuk azt jelenti, hogy a hasznos kvantumszámítógépek valószínűleg hamarabb lesznek velünk, mint korábban gondoltuk. A szakértők között azonban vita tárgyát képezi, hogy ezek a gépek milyen gyorsan lesznek elég erősek ahhoz, hogy a gyakorlatban hasznosíthatóak legyenek a különböző kereskedelmi alkalmazásokban.

Oskar Painter, az Amazon Web Services (AWS) Kaliforniai Technológiai Intézet Kvantumszámítástechnikai Központjának munkatársa, ahol a munkát végezték, elmondta, hogy a közelmúltban elért eredmények azt jelentik, hogy az egy évtizedes „agresszív dátum” most már „egyre reálisabbnak tűnik”. "Öt évvel ezelőtt azt mondtam volna, hogy talán 20 vagy 30 év” - mondta, de hozzátette: "ez az idővonal eléggé beljebb került." A felhőalapú számítástechnikai szolgáltatásokat nyújtó AWS végső soron kvantumszámítási szolgáltatásokat szeretne nyújtani ügyfeleinek, de Painter azt is elmondta, hogy szerinte a fejlett gépek végül segíthetnek optimalizálni az Amazon kiskereskedelmi üzletágának hatalmas globális logisztikáját. "Tudja, egy olyan cég, mint az Amazon, ha egy százalékos javulást ér el, máris nagy összegekről beszélünk. A kvantumszámítógépek lehetővé tennék, hogy ezt hatékonyabban, valós időben tegyük - és ez az igazi érték” - magyarázta.

A kvantumszámítógépek a kvantumfizika tudománya által leírt, az anyag és az energia nagyon kis léptékű furcsa tulajdonságait kihasználva oldanak meg problémákat. A kvantumszámítógépek nem fogják felváltani a "klasszikus” számítógépeket, de azt ígérik, hogy képesek lesznek olyan problémák megoldására, amelyekre még a legerősebb modern számítógépek sem képesek - olyan új felfedezéseket eredményezve, mint a jobb akkumulátorok és új gyógyszerek. Ezt a lehetőséget azonban a hibák problémája akadályozza.

A kvantumszámítógépek rendkívül érzékenyek a környezetükben lévő zajokra - a rezgések, a hő, a mobiltelefonok és a WIFI-hálózatok elektromágneses interferenciája, vagy akár a kozmikus sugárzás és a világűrből érkező sugárzás mind hibákat okozhatnak, amelyeket aztán ki kell javítani. A macska qubitek az egyik kísérletet jelentik e probléma megoldására azáltal, hogy a felhasznált qubitek konstrukciójába hibaállóságot építenek be.

A qubitek a kvantumszámítógépek alapvető elemei, a legtöbbünk által ma használt számítógépek bitjeinek megfelelői. A macska qubiteket Erwin Schrödinger tiszteletére nevezték el, akinek 1935-ben feltett 'macska a dobozban' kérdése segített megvilágítani a kvantumelmélet mögött meghúzódó gondolatok egy részét. Az Amazon úgy véli, hogy az új chip - amely a 14 kulcskomponensből mindössze öt macskaqubitet tartalmaz - a jelenlegi megközelítésekhez képest akár 90%-kal is csökkentheti a kvantumhibák javításának költségeit.

A társaság megközelítésének alapötlete az, hogy az egyik típusú qubitet az adatok tárolására, a másikat pedig a hibajavításhoz használják. Az adat qubit rendkívül ellenálló az egyik hibatípussal szemben, de hajlamos a másikra. Ezekre a hibákra jön be a második típusú qubit; ez egy olyan hibajavító kód futtatására szolgál, amely hatékonyan veszi észre azokat a problémákat, amelyekre az adat qubitek hajlamosak. A kettő együtt a remények szerint lehetővé teszi, hogy a hibajavítást sokkal kevesebb hardveres qubit kezelje.

Egy hagyományos számítógépben valójában csak egyféle hiba miatt kell aggódni: egy olyan bit miatt, amely már nem tartja meg a beállított értéket. Ezt nevezzük bitflipnek, mivel az érték vagy nulláról egyre, vagy egyről nullára változik. Mint a legtöbb kvantumszámítástechnikai dolog esetében, a dolgok a qubitekkel lényegesen bonyolultabbak. Mivel nem bináris értékeket, hanem valószínűségeket tárolnak, nem lehet csak úgy felcserélni a qubit értékét. Ehelyett a kvantumföldön a bitek felcserélése a valószínűségek megfordításával jár - 60:40-ről 40:60-ra vagy hasonlóra.


De nem a bitfelcserélés az egyetlen probléma, ami előfordulhat. A qubiteket úgynevezett fázisfordítási hibák is érhetik. Ezeknek nincs megfelelőjük a klasszikus számítógépekben, de ezek is megakadályozhatják a kvantumszámítógépek elvárt működését. A múltban az Amazon olyan qubiteket mutatott be, amelyekkel triviálisan könnyű volt kimutatni, ha bitflip hiba történt. Az új munka során valami másra tértek át: egy olyan qubitre, amely nagymértékben csökkenti a bitflip hibák valószínűségét. Míg a legtöbb qubit egyetlen kvantumobjektum ilyenfajta szuperpozícióba helyezésén alapul, addig a macska qubitben objektumok gyűjteménye van egyetlen szuperpozícióban.

A macskaqubitek technológiája nem kizárólag az Amazoné, egy Alice & Bob nevű francia cég végzett úttörő munkát a technológiával kapcsolatban. Mazyar Mirrahimi, a francia nemzeti technológiai kutatóintézet, az Inria kutatási igazgatója szerint az Ocelot „fontos lépés a hardveresen hatékony hibatűrő kvantumszámítás felé”. Az Amazon úgy véli, hogy az új chip utat kínál a nagyobb teljesítményű, ilyen típusú beépített hibabiztossággal rendelkező gépekhez, de a kutatók elismerik, hogy még sok kihívás vár rájuk.

Az olyan cégek által eddig bemutatott macskaqubitek esetében, mint az Alice és Bob, a tárgyak fotonok, amelyeket mind egyetlen rezonátorban tartanak, és az Amazon is hasonló technológiát használ. A macskaqubiteknek van egy sajátos tulajdonságuk a többi lehetőséghez képest: a bitek felcserélése valószínűtlen, és még valószínűtlenebbé válik, ahogy több fotont pumpálunk a rezonátorba. Ennek azonban van egy hátránya is: a több foton azt jelenti, hogy a fázisfordítás valószínűbbé válik. Ezek a fázisfordítások az okai annak, hogy behozták a qubitek egy második csoportját, az úgynevezett transzmonokat. Ezekből qubitek láncolatát hozták létre, váltakozva a macska és a transzmon között. Ez lehetővé tette a csapat számára, hogy egy logikai, hibajavított qubitet hozzon létre egy egyszerű hibajavító kód, az úgynevezett ismétlési kód segítségével.

Itt minden egyes macska qubit ugyanabban az állapotban indul, és a szomszédos transzmonokkal összefonódik. Ez lehetővé tette, hogy a transzmonok által úgynevezett gyenge mérések elvégzésével nyomon kövessék mi történik a macska qubitekben. Ezek nem pusztítják el a kvantumállapotot, mint egy teljes mérés tenné, de lehetővé teszik a szomszédos macska qubitekben bekövetkező változások észlelését, és az esetleges hibák kijavításához szükséges információt szolgáltatják. A kettő kombinációja tehát azt jelenti, hogy szinte az összes előforduló hiba fázisfordulás, a fázisfordulatokat pedig észlelik és kijavítják.

Michael Cuthbert, a brit Nemzeti Kvantumszámítási Központ igazgatója üdvözölte az Amazon által elért eredményeket, de szerinte még nem tudni, milyen hatással lesz ez arra a sebességre, amellyel az ipar képes lesz valóban használható kvantumszámítógépek kifejlesztésére. "A hibajavítás létfontosságú lépés a kvantumszámítógépek hosszú távú fejlődéséhez. Ez az a döntő lépés, amely a kvantumszámítást olyan gyakorlati és kereskedelmi eszközzé teszi, amelyet a kémia, az anyagtudomány, az orvostudomány, a logisztika és az energia területén felmerülő összetett problémák megoldására használhatunk.” - mondta. "A kihívás része az, hogy hogyan lehet hatékonyan skálázni a forradalmi technológiát. Igazán üdvözlendőek azok a mechanizmusok, amelyek a chipek méretében, energiafogyasztásában és a rendszerek összetettségében jelentkező hatalmas többletköltségek nélkül teszik lehetővé a hibajavítást.”

Az Amazon kutatói a Nature tudományos folyóiratban publikálták eredményeiket. A kereskedelmi óriás ezzel csatlakozott a Microsofthoz és a Google-hoz egy új kísérleti chip bejelentésében. De vajon ez a bejelentési hullám sok kutatás vagy okos PR eredménye? Vagy véletlen egybeesésről van szó? Heather West az International Data Corporation kutatási menedzsere az Amazon eredményeit inkább „előrelépésnek”, mintsem áttörésnek nevezi. Megjegyzi, hogy mindhárom közelmúltbeli bejelentés a hibák csökkentésére összpontosított, és elmondása szerint az iparág a qubitek számának növelésére való összpontosításról azon "képességre, hogy ezeket a rendszereket a valós élet problémáinak megoldására használhassuk” összpontosít. Ennek során pedig meg kell tudnunk oldani a hibajavítást a kvantumrendszereken belül”. Azonban a mai kísérleti rendszereket nem lesz könnyű nagyobb méretre felskálázni.