Évek óta azt mondják, hogy a kvantumszámítógépek már a sarkon vannak, és számos előrelépés azt mutatta, hogy új lehetőségek tárházát megnyitva végül ezek a berendezések felváltják a jelenlegi számítástechnikai technológiákat. De az áttörés csak nem akart bekövetkezni. A kvantumkomputerek ugyanis nem tudtak stabilan számításokat végezni. Mostanra sikerült kifejleszteni az első működő, hibamentes kvantumszámítógépes rendszert.
Nem könnyű a szuperpozíció és az összefonódás összetett kvantumelveit felhasználva működő számítógépet építeni. A jelenlegi kvantumgépek, bár hatalmas előrelépést jelentenek megértésünkben és technikai képességeinkben, hemzsegnek a hibáktól. A modern, nem kvantumtechnológoiát használó eszközök a precíz gyártás révén elkerülik az információ feldolgozás és tárolás hibáit. A kritikus alkalmazások azonban még mindig igénylik az adatok redundanciáján alapuló hibajavító eljárásokat.
A kvantummechanika természetéből adódóan a kvantumszámítógépek sokkal érzékenyebbek a hibákra és az adatvesztésre. A kvantumgépek tehát mindig hibajavítást kívánnak majd. A kvantummechanika azonban a kvantuminformáció másolását is tiltja, ezért a redundanciát a logikai kvantuminformáció több fizikai rendszerből - például több atomból - álló "összefonódott állapotba" való szétszórásával kell elérni.
A Nature tudományos magazinban megjelent tanulmányban a kutatók két kvantumbiten (qubit) hajtottak végre számítási műveleteket. A qubitek egy 16 csapdába zárt atomból álló ioncsapdás kvantumszámítógép részei. Minden qubit információját hét másik atomra osztották szét. A kutatócsoport ezután végrehajtotta a qubiteken az eddigi első hibamentes univerzális számítási műveletet.
Hogy mit értettek "univerzális" alatt? Két meghatározott kvantumlogikai kapu különböző permutációit és konfigurációit használva bármilyen lehetséges művelet elvégezhető. A két kapu a kontrollált NEM (CNOT) kapu és a T-kapu. "Egy valódi kvantumszámítógéphez olyan univerzális kapuk készletére van szükségünk, amelyekkel minden algoritmust be tudunk programozni" - magyarázza Lukas Postler, az Innsbrucki Egyetem kísérleti fizikusa.
A CNOT egy olyan művelet, amelyben a második qubit akkor (és csak akkor) fordul át, ha az első qubit 1-es állapotban van (0 helyett). A T-kapu, amelyet hibatűrő qubiteken különösen nehéz megvalósítani, a cél qubit fázisát változtatja meg.
"A T-kapuk nagyon alapvető műveletek. Különösen azért érdekesek, mert a T-kapuk nélküli kvantumalgoritmusok viszonylag könnyen szimulálhatók klasszikus számítógépeken, ami negligálja az esetleges sebességnövekedést. A T-kapukkal működő algoritmusok esetében ez már nem lehetséges" - mondta Markus Müller, a németországi RWTH Aachen Egyetem és a Forschungszentrum Jülich elméleti fizikusa a Cosmos magazinnak.
A kutatók gépében a qubiteken végzett műveletek során a mögöttes fizika által okozott hibákat észlelik és korrigálják. "A hibatűrő megvalósítás több műveletet igényel, mint a nem hibatűrő műveletek. Ez több hibát vezet be az egyes atomok léptékében, de ennek ellenére a logikai qubiteken végzett kísérleti műveletek jobbak, mint a nem hibatűrő logikai műveletek. Az erőfeszítés és a bonyolultság nő, de az eredmény jobb minőségű" - jegyezte meg Thomas Monz kísérleti fizikusa, aki az Innsbrucki Egyetem tudóscsoportját vezette.
A kísérleti eredményeket klasszikus számítógépeken végzett numerikus szimulációkkal ellenőrizték és megerősítették. Végül is, két qubitból még nem lesz működőképes, használható kvantumszámítógép. De a csapat bebizonyította, hogy a hibamentes kvantumszámítás lehetséges. A cél most az, hogy a kísérlet során alkalmazott felállást nagyobb és bonyolultabb, és így hasznosabb gépekre is kiterjesszék.
