Táto extrémna krehkosť môže spôsobiť, že kvantové výpočty sa môžu zdať beznádejné. Ale v roku 1995 aplikovaný matematik Peter Shor Objavte Inteligentný spôsob ukladania kvantových informácií. Jeho kódovanie malo dve hlavné charakteristiky. Po prvé, môže tolerovať chyby, ktoré ovplyvňujú iba jednotlivé qubity. Po druhé, prišiel s postupom na opravu chýb, keď sa vyskytnú, čím sa zabráni ich hromadeniu a vykoľajeniu procesu výpočtu. Shorov objav bol prvým príkladom kvantového kódu na opravu chýb a jeho kľúčové vlastnosti sú charakteristickými znakmi všetkých takýchto kódov.

Prvá vlastnosť vychádza z jednoduchého princípu: dôverné informácie sú menej zraniteľné, keď sú rozdelené. Špionážne siete používajú podobnú stratégiu. Každý špión vie veľmi málo o sieti ako celku, takže organizácia zostáva v bezpečí, aj keď je chytený jednotlivec. Kvantové kódy na opravu chýb však túto logiku posúvajú do extrému. V kvantovej špionážnej sieti by žiadny špión nevedel vôbec nič, napriek tomu by spolu vedeli veľa.

Každý kód kvantovej korekcie chýb je špecifickým receptom na distribúciu kvantových informácií cez mnoho qubitov v kolektívnej superpozícii. Tento postup efektívne konvertuje pole fyzických qubitov na jeden virtuálny qubit. Opakujte proces niekoľkokrát s veľkou sadou qubitov a získate veľa virtuálnych qubitov, ktoré môžete použiť na vykonávanie výpočtov.

Fyzické qubity, ktoré tvoria každý virtuálny qubit, sú ako tí nič netušiaci kvantoví špióni. Zmerajte ktorúkoľvek z nich a nebudete vedieť nič o stave virtuálneho qubitu, ktorého je súčasťou, vlastnosti nazývanej lokálna nerozoznateľnosť. Keďže každý fyzický qubit nekóduje žiadne informácie, chyby v jednotlivých qubitoch nepoškodia výpočet. Dôležité informácie sú tak či onak všade, no nikde konkrétne.

„Nemôžete to viazať na žiadny individuálny qubit,“ povedal Cubitt.

Všetky kódy kvantovej korekcie chýb dokážu prispôsobiť aspoň jednu chybu bez akéhokoľvek vplyvu na zakódované informácie, ale všetky sa nakoniec vzdajú, keď sa chyby nahromadia. A tu začína druhá vlastnosť kódov kvantovej korekcie chýb, ktorou je skutočná oprava chýb. S tým úzko súvisí lokálna nerozoznateľnosť: keďže chyby v jednotlivých qubitoch nezničia žiadne informácie, vždy je možné Vráťte akúkoľvek chybu Používanie zavedených postupov pre každý kód.

Vzaté na jazdu

Zhi Li, postdoktorandský výskumník na Peripheral Institute for Theoretical Physics vo Waterloo, Kanada, bol dobre oboznámený s teóriou kvantovej korekcie chýb. Keď sa pustil do rozhovoru so svojím kolegom, téma mu ani zďaleka nešla do hlavy Latham Boyle. Bola jeseň roku 2022 a dvaja fyzici boli na večernom raketopláne z Waterloo do Toronta. Boyle, odborník na necyklické obklady, ktorý v tom čase žil v Toronte a teraz pôsobí na univerzite v Edinburghu, bol známou tvárou tých raketoplánov, ktoré často uviaznu v hustej premávke.

„Normálne môžu byť dosť nešťastní,“ povedal Boyle. „Toto bolo ako najväčšie vôbec.“

Pred tým osudným večerom si Lee a Boyle boli navzájom vedomí svojej práce, no oblasti ich výskumu sa priamo neprekrývali a nikdy sa nerozprávali jeden na jedného. Ale ako nespočetné množstvo výskumníkov v nesúvisiacich oblastiach, aj Lee sa zaujímal o neperiodické dlaždice. „Je veľmi ťažké nemať záujem,“ povedal.