การแก้ไขข้อผิดพลาดทำให้ Quantum Computing เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น
เพื่อให้การคำนวณควอนตัมบรรลุผลตามคำมั่นสัญญานั้น จะต้องจัดการกับข้อผิดพลาด นั่นเป็นปัญหาจริงจนกระทั่งเมื่อไม่นานนี้ เนื่องจากแม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะมีรหัสการแก้ไขข้อผิดพลาด แต่เครื่องควอนตัมที่มีอยู่ก็ไม่สามารถใช้งานได้ ในที่สุด ตอนนี้นักวิจัยได้สร้างอาร์เรย์คอมพิวเตอร์ควอนตัมขนาดเล็กซึ่งเป็นครั้งแรกที่มีความแม่นยำเพียงพอเพื่อให้สามารถแก้ไขข้อผิดพลาดได้ ปูทางไปสู่เครื่องจักรที่ใช้งานได้จริงซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป
คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกในปัจจุบันทำการคำนวณโดยใช้บิต ซึ่งสามารถเป็นได้ทั้ง 1 หรือ 0 คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้รับความสามารถอันน่าทึ่งในการคำนวณหลายอย่างพร้อมกันโดยใช้ควอนตัมบิตหรือ qubits ซึ่งสามารถมีได้ทั้งแบบ 1 และ 0 ในเวลาเดียวกัน ความท้าทายคือระบบดังกล่าวต้องใช้การแก้ไขข้อผิดพลาดเพื่อรักษาสถานะควอนตัมที่เปราะบางของ qubits ให้นานพอที่จะทำการคำนวณ
การแก้ไขข้อผิดพลาดในโลกควอนตัมนั้นแปลกกว่าการคำนวณแบบคลาสสิกมาก ในการคำนวณแบบคลาสสิก คุณสามารถทำสำเนาบิตหลายชุดในขั้นตอนใดก็ได้ในการคำนวณ และหากต้นฉบับผิดพลาด คุณเพียงแค่ใช้สำเนาเพื่อกู้คืน แต่ฟิสิกส์ไม่อนุญาตให้คุณคัดลอกข้อมูลควอนตัมอย่างแน่นอน ความพยายามใด ๆ ที่จะขัดขวางการคำนวณ แต่ Peter Shor ผู้บุกเบิกคอมพิวเตอร์ควอนตัมพบว่ามีวิธีแก้ไขปัญหานี้ ข้อมูลควอนตัมของหนึ่ง qubit สามารถกระจายข้ามหลาย qubits—หลายร้อยหรือหลายพัน—ที่แบ่งปันการเชื่อมต่อควอนตัมที่เรียกว่า entanglement รหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมใช้ประโยชน์จาก qubit อื่นๆ เหล่านี้เพื่อเปิดเผยข้อผิดพลาดโดยไม่ต้องอาศัยการคัดลอกค่าของ qubit ดั้งเดิมจริงๆ
รูปแบบการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลแบบคลาสสิกที่ง่ายมาก แต่ต้องใช้การดำเนินการลอจิกควอนตัมที่มีความแม่นยำมากกว่า 99.999 เปอร์เซ็นต์ แต่วิธีหนึ่งที่เรียกว่ารหัสพื้นผิวสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยมีเกณฑ์ความแม่นยำที่ต่ำกว่า 99 เปอร์เซ็นต์โดยเปลี่ยนความซับซ้อนของโครงการไปสู่การประมวลผลแบบคลาสสิกมากขึ้น ระบบทดลองที่มีรายละเอียดเมื่อเร็วๆ นี้ใน Nature ได้สาธิตสถาปัตยกรรมโค้ดพื้นผิวตัวแรกเพื่อให้ได้ความแม่นยำ 99 เปอร์เซ็นต์ที่ต้องการ
“เราได้พัฒนาความเที่ยงตรงอย่างมีนัยสำคัญจนมาถึงขีดจำกัดที่สำคัญนี้ และเราทำมันในลักษณะที่เรารู้ว่าเราจะขยายขนาดเป็น qubits ให้มากขึ้นเรื่อย ๆ ได้อย่างไร” หนึ่งในผู้สร้างต้นแบบกล่าวJohn Martinisศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่ University of California, Santa Barbara
Martinis และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้วงจรควอนตัมตัวนำยิ่งยวดซึ่งเป็นตัวแทนของสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ที่เป็นไปได้หลายอย่างสำหรับระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัม คิวบิตเองคือทางแยกของโจเซฟสัน —ตัวนำยิ่งยวดสองชั้นคั่นด้วยชั้นฉนวนบางๆ
โดยการสร้างการจัดเรียงของ qubits ห้าชุดในหนึ่งบรรทัด นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถดำเนินการตรรกะที่เป็นหัวใจของการคำนวณสมัยใหม่ด้วยความแม่นยำ 99.92 เปอร์เซ็นต์สำหรับประตูตรรกะควอนตัมที่เกี่ยวข้องกับหนึ่ง qubit และ 99.4 เปอร์เซ็นต์สำหรับประตูตรรกะควอนตัมที่เกี่ยวข้อง สอง qubits
“รหัสพื้นผิวทนต่อข้อผิดพลาดได้มากและไม่ต้องขออะไรมากจากฮาร์ดแวร์” ออสติน ฟาวเลอร์ พนักงานนักวิทยาศาสตร์ที่ UCSB ซึ่งทำงานบนอุปกรณ์แก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมกล่าว
ความสำเร็จของทีม USCB ในการใช้โค้ดพื้นผิวบนอาร์เรย์เชิงเส้นของ qubits อาจนำไปสู่ตาราง 2 มิติเต็มรูปแบบของ qubits ที่สามารถทำการคำนวณที่สำคัญได้ qubits จะถูกจัดเรียงในรูปแบบกระดานหมากรุกที่ “สี่เหลี่ยมสีขาว” จะเก็บข้อมูล qubits สำหรับการดำเนินการและ “สี่เหลี่ยมสีดำ” จะมี qubits การวัดที่ตรวจจับและแก้ไขข้อผิดพลาดใน qubits ข้อมูลที่อยู่ใกล้เคียง ในการตั้งค่านี้ โค้ดพื้นผิวสามารถวัดข้อผิดพลาดที่เป็นไปได้ใน qubit ข้อมูลโดยอ้อมโดยไม่รบกวนสถานะควอนตัมที่ละเอียดอ่อน
นักวิจัยของ IBM ยังได้บุกเบิกการทำงานในการแก้ไขข้อผิดพลาดของรหัสพื้นผิวด้วย qubits ตัวนำยิ่งยวด ในงานวิจัยที่โพสต์ทางออนไลน์ไปยังที่เก็บ arXivเมื่อเดือนพฤศจิกายนปีที่แล้ว กลุ่ม IBM กลุ่มหนึ่งได้สาธิตระบบสามคิวบิตที่เล็กกว่าที่สามารถเรียกใช้โค้ดพื้นผิวได้ แม้ว่าระบบนั้นมีความแม่นยำต่ำกว่า—94 เปอร์เซ็นต์
“ทั้งผลลัพธ์ของเราและผลลัพธ์จาก UCSB กำลังแสดงสัญญาสำหรับ qubits ตัวนำยิ่งยวด และความท้าทายด้านสถาปัตยกรรมและวิศวกรรมอยู่ข้างหน้าเรา และควรเริ่มที่จะได้รับการแก้ไขเพื่อไปสู่คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาด” Jerry Chow การวิจัยกล่าว พนักงานที่ Thomas J. Watson Research Center ของ IBM ใน Yorktown Heights, NY
ความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นสำหรับ qubits ตัวนำยิ่งยวดทำให้เทคโนโลยีนี้เป็นคู่แข่งสำคัญกับระบบคอมพิวเตอร์ควอนตัมอื่น ๆ เช่นการใช้ไอออนที่ติดอยู่เป็น qubits
ถึงกระนั้น นักวิจัยยังต้องปรับปรุงอัตราความแม่นยำต่อไปก่อนที่จะสามารถคำนวณควอนตัมที่มีความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งอาจต้องใช้คิวบิตกายภาพ 1,000 หรือ 10,000 คิวบิตเพื่อเข้ารหัสคิวบิตเชิงตรรกะเพียงตัวเดียว แนวคิดในการเชื่อมต่อ qubits หลายพันตัวโดยไม่ก่อให้เกิดการรบกวนระหว่าง qubits ที่อยู่ใกล้เคียงยังนำเสนอความท้าทายด้านวิศวกรรมอย่างมากแม้ว่าจะไม่เป็นไปตามหลักฟิสิกส์ก็ตาม
“ฟิสิกส์ของการมีเพศสัมพันธ์และการควบคุมจะไม่เปลี่ยนแปลง” Rami Barends นักศึกษาปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์ที่ UCSB กล่าว “แต่สิ่งที่คุณต้องทำคือการเดินสายและการควบคุมในระบบ 2 มิติโดยไม่ขัดขวางความเที่ยงตรง”
ขั้นตอนต่อไปสำหรับทีม UCSB คือการเรียกใช้การทดสอบการแก้ไขข้อผิดพลาดอย่างง่าย ซึ่งถือเป็นครั้งแรกที่ยิ่งใหญ่สำหรับฟิลด์การคำนวณควอนตัม ก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้แสดงวิธีแก้ไขข้อผิดพลาดขนาดใหญ่ที่จงใจใส่เข้าไปในอาร์เรย์ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม แต่นักวิจัยของ UCSB ต้องการแสดงวิธีแก้ไขข้อผิดพลาดตามธรรมชาติที่เกิดขึ้นระหว่างการดำเนินการคำนวณควอนตัมจริง การผสมผสานระหว่างความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นและการแก้ไขข้อผิดพลาดที่เข้มงวดอาจทำให้ความฝันของคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ใช้งานได้จริง
Julian Kelly นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์ที่ UCSB กล่าวว่า “เรามีข้อกำหนดทั้งหมดสำหรับการเริ่มแก้ไขปัญหาการแก้ไขข้อผิดพลาดเป็นครั้งแรก “ผู้คนเคยผ่านการเคลื่อนไหวมาก่อน แต่ไม่เคยมีวิธีปฏิบัติจริงในการลดข้อผิดพลาดในระบบ”
แลมบ์ได้ทำการสังเกตสำคัญครั้งแรก ซึ่งเกิดขึ้นเหมือนกับการค้นพบที่น่าสังเกตหลายอย่าง: โดยบังเอิญ ในปี 1963 เขากำลังศึกษานิวเคลียร์แบบ double resonance ซึ่งเป็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างการหมุนของนิวเคลียร์และอิเล็กตรอนของอะตอมในซิลิคอน-29 หลังจากวางตัวอย่างซิลิกอนในอุปกรณ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กแล้ว เขาทำให้เย็นลงเป็น 4 K แล้วดูสัญญาณบนออสซิลโลสโคป โดยปกติ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีประโยชน์ในการศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุเมื่อมีแม่เหล็กทรงพลัง วัสดุที่กำหนดจะปล่อยรูปแบบสัญญาณหรือสเปกตรัมที่โดดเด่น อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ ตัวอย่างเริ่มส่งสัญญาณทันที ขณะที่แม่เหล็กยังคงปิดอยู่
โคลให้เรื่องราวนี้ในการสัมภาษณ์ประวัติด้วยวาจาในเวลาต่อมาว่า “ทันใดนั้น ก่อนที่พวกเขาจะเปิดแม่เหล็ก พวกเขาเริ่มเห็นว่าสิ่งที่ดูเหมือนสเปกตรัมเรโซแนนซ์แม่เหล็กที่ออกมาจากอุปกรณ์ของพวกเขา พวกเขาสังเกตเห็นว่าแม้จะปิดไฟแล้ว หากหมุนแม่เหล็ก เส้นเหล่านี้ก็ดูเหมือนจะเคลื่อนที่ไปมา เคลื่อนที่ไปมาในขอบเขตสเปกตรัม พวกเขาเปิดแม่เหล็ก พวกเขาไม่เห็นเส้นหลายสิบบรรทัด ซึ่งไม่ใช่เรื่องแปลก แต่มีหลายพัน หลายหมื่นบรรทัด ความลึกลับ! พวกเขาเคยดูสเปกตรัมในตัวอย่างที่เกือบจะเหมือนกันก่อนหน้านี้ อะไรจะเปลี่ยนแปลงได้ขนาดนั้น?”
ด้วยความงงงวย แลมบ์ปรึกษากับเพื่อนร่วมงานบางคน ตัวอย่างซิลิกอนมีหน้าสัมผัสบัดกรีแบบอินเดียม ดังนั้นทีมจึง “ตัดสินใจว่ามันเกี่ยวข้องกับความเป็นตัวนำยิ่งยวด เพราะพวกเขาเริ่มมีอุณหภูมิที่พอๆ กับอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของอินเดียม” ซิลเวอร์เล่าในภายหลัง
จากนั้นจึงทดลองกับตัวอย่างฟิล์มบางแบบต่างๆ เมื่อตัวอย่างไม่มีรอยร้าวหรือตำหนิใดๆ ก็ไม่มีเส้นปรากฏ แต่เมื่อมันเสียหายเพียงเล็กน้อย ผลกระทบก็กลับคืนมา “ในที่สุดเราก็สร้างลวดลายให้กับหนัง…เราตัดรอยหยักเล็กๆ ในตัวมัน” ซิลเวอร์กล่าว การอ่านค่าออสซิลโลสโคปจากฟิล์มที่มีรอยบากโดยเจตนานั้นแข็งแกร่งกว่าการอ่านค่าจากตัวอย่างดั้งเดิม
Mercereau ปริญญาเอกของ Caltech ที่เคยทำงานเกี่ยวกับคลื่นเลี้ยวเบนในฮีเลียมเหลวสำหรับวิทยานิพนธ์ของเขา มีคำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับปรากฏการณ์ที่ทำให้งงนี้ เขาเพิ่งกลับมาจากการประชุมฟิสิกส์อุณหภูมิต่ำ ซึ่งเขาได้พบกับไบรอัน โจเซฟสัน เขาแนะนำว่าพวกเขาได้สร้างชุมทางโจเซฟสันจริงๆ
นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการสร้างของพวกเขามีความอ่อนไหวต่อสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก นักวิจัยจึงเริ่มสร้างอุปกรณ์แยกโจเซฟสันที่สามารถวัดความเข้มของสนามเหล่านั้นได้จริง หรืออีกนัยหนึ่งคือ เครื่องวัดระยะ
ในการสร้างอุปกรณ์ Jaklevic เริ่มต้นด้วยการวางฟิล์มดีบุกลงบนสไลด์กล้องจุลทรรศน์แก้ว เขาสร้างลวดลายให้กับฟิล์มโดยส่งผ่านหน้ากากสแตนเลสซึ่งเขาใช้ใบมีดโกน ต่อมาเขาวาดบนหน้ากากของ Formvar (พลาสติกชนิดหนึ่ง) และติดฟิล์มดีบุกแผ่นที่สองเพื่อปิดฟิล์มแผ่นแรก ตอนนี้หน้ากากพลาสติกเป็นฉนวนระหว่างฟิล์มทั้งสอง และจุดต่อถูกสร้างขึ้นผ่านช่องเปิดในพลาสติกระหว่างฟิล์มด้านล่างซึ่งออกซิไดซ์ในอากาศและฟิล์มด้านบน อุปกรณ์วางอยู่ในฮีเลียมเหลว ใส่ขดลวดเพื่อใช้สนามแม่เหล็กกับอุปกรณ์ และดูสัญญาณผลลัพธ์บนออสซิลโลสโคป ผลที่ได้คือ SQUID ที่ใช้งานได้ครั้งแรกของโลกตามที่ทีมอธิบายไว้ในบทความในPhysical Review Lettersในช่วงต้นปี พ.ศ. 2507 ปลาหมึกชนิดนี้จะถูกเรียกว่า DC SQUID ในภายหลังเนื่องจากกระแสคงที่ สิ่งที่น่าสนใจคือ นักวิจัยของ Ford ลังเลที่จะใช้คำว่า “SQUID” ในสิ่งพิมพ์อย่างเป็นทางการ แม้ว่าตามคำบอกของ Silver ในไม่ช้า คำนี้ก็ถูกนำมาใช้กันทั่วห้องแล็บ เขาให้เครดิตซิมเมอร์แมนกับการสร้างเทอม
รอยต่อแบบฟิล์มบางได้รับการพิสูจน์แล้วว่าใช้เวลานานและยากต่อการผลิตซ้ำ “หลายเดือนผ่านไปเมื่อเราแยกทางกันไม่ได้” ซิลเวอร์เขียนในภายหลัง ดังนั้นซิมเมอร์แมนจึงมุ่งเน้นไปที่การสร้างวงจรจากลวดไนโอเบียมซึ่งเขามีอยู่ในมือ หลังจากนั้นไนโอเบียมก็กลายเป็นองค์ประกอบตัวนำยิ่งยวดของทางเลือกในปลาหมึกรุ่นต่อๆ มาที่ฟอร์ดและที่อื่นๆ
Zimmerman ซึ่งทำงานร่วมกับ Silver ยังคงลดความซับซ้อนของอุปกรณ์ต่างๆ ซึ่งยังคงยากต่อการทำซ้ำ ในส่วนเล็กๆ น้อยๆ เนื่องจากไนโอเบียมเป็นโลหะที่ยากต่อการตัดเฉือนเป็นพิเศษ ในที่สุดในปี 1965 ทั้งคู่ก็ประสบความสำเร็จในการทำปลาหมึกที่ประกอบด้วยวงแหวนตัวนำยิ่งยวดโดยมีเพียงทางแยกโจเซฟสันเพียงจุดเดียวที่ขัดจังหวะมัน ซิลเวอร์ใช้ระบบตรวจจับความถี่วิทยุขนาด 27 เมกะเฮิรตซ์จากห้องแล็บเรโซแนนซ์แม่เหล็กเพื่อวัดสัญญาณของปลาหมึก เมื่อใช้ฟลักซ์การสั่นภายนอกกับวงแหวน เครื่องตรวจจับสัญญาณรบกวนต่ำนี้จะจับการเปลี่ยนแปลงในฟลักซ์ภายใน นักวิจัยเรียกอุปกรณ์นี้ว่า RF SQUID มันถูกกว่าและง่ายกว่าในการผลิต และกลายเป็นพื้นฐานสำหรับการขายปลาหมึกในเชิงพาณิชย์
อย่างไรก็ตาม ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ SQUID ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับรถยนต์ และทีม Ford ไม่ได้พยายามอย่างจริงจังที่จะทำกำไรจากมัน ซิมเมอร์แมนจะเล่าในภายหลังว่าสมาชิกในทีมดูการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณออสซิลโลสโคปอย่างไรเมื่อเก้าอี้เหล็กถูกเคลื่อนย้ายไปรอบๆ อุปกรณ์ โดยเปลี่ยนสนามแม่เหล็กโดยรอบเพียงเล็กน้อย SQUID ของห้องปฏิบัติการคือ “เครื่องตรวจจับเก้าอี้ห้องปฏิบัติการที่ละเอียดอ่อนอย่างยิ่ง” เขาเหน็บ ผลของแรงงานทางปัญญาของพวกเขาคือเอกสารทางวิชาการ 25 ฉบับและสิทธิบัตรของสหรัฐฯ 9 ฉบับที่เกี่ยวข้องกับ SQUID และตัวนำยิ่งยวด ก่อนที่ทีมจะเลิกกันในปี 2510 หรือ 2511 สมาชิกบางคนก็ย้ายไปหัวข้ออื่นแล้ว
สิ่งที่ทำให้ SQUID ของ Ford หยุดชะงักในที่สุด กลับกลายเป็นข้อโต้แย้งภายในว่าใครเป็นคนพัฒนาอุปกรณ์จริงๆ เมอร์เซโรใช้เวลาส่วนใหญ่ในปี 2508 และ 2509 ในการโน้มน้าวการทำงานของทีมในการประชุมทางวิทยาศาสตร์ มากเสียจน Phil Anderson ที่ Bell Labs เริ่มพูดถึงการรบกวนควอนตัมตัวนำยิ่งยวดว่าเป็น “เอฟเฟกต์ของเมอร์เซโร” แต่ภายในทีมฟอร์ด เขาไม่ได้ถูกมองว่าเป็นผู้สนับสนุนหลักในการประดิษฐ์ของ SQUID แต่เพียงผู้เดียว เพื่อคลายความตึงเครียด จาค็อบ อี. “แจ็ค” โกลด์แมน ผู้อำนวยการห้องทดลองของฟอร์ด ได้ย้ายเมอร์เซโรไปยังห้องแล็บ Aeroneutronic ในนิวพอร์ต บีช รัฐแคลิฟอร์เนีย ที่ฟอร์ดซื้อมา
เรื่องราวของปลาหมึกแล้วจะใช้เวลาใหม่ทิศทางด้วยZimmerman ที่เกิดขึ้นเป็นตัวชูโรง ภายในหนึ่งปีของการย้ายของ Mercereau ในปี 1967 ซิมเมอร์แมนก็เข้าร่วม Aeroneutronic แม้ว่าจะไม่ได้ร่วมงานกับอดีตเพื่อนร่วมงานของเขาก็ตาม ในตำแหน่งใหม่ของเขา Zimmerman เป็นผู้นำแผนกไครโอเจนิกส์ของห้องปฏิบัติการและทำงานเพื่อพัฒนา RF SQUID ไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่วางตลาด