Korrigering af fejl i kvanteberegningsskalaen

Datakraft er vokset eksponentielt over mange årtier, så hvorfor tager det meget lovede næste spring af kvantecomputere så lang tid at ankomme?

En grund er, at oplysningerne i et kvantesystem er følsomme over for fejlfremkaldende støj på en måde, som klassisk information ikke er. Denne støj er overalt og uundgåelig, som følge af mikroskopiske svingninger af atomer og elektroner i alt stof. Så vi er nødt til at opfinde nye måder at håndtere kvantefejl på.

Når du foretager et telefonopkald i et overfyldt netværk, eller ridse en cd, teknologien kan stadig fungere:samtaler er stadig forståelige, og der afspilles stadig musik.

Dette skyldes, at disse enheder bruger fejlkorrigeringskoder:selvom fejl ødelægger rådatastrømmen, de vigtige logiske oplysninger kan stadig rekonstrueres. Og disse kan tilpasses til kvanteberegning.

En tid du kan regne med

For at se, hvordan dette fungerer for klassisk kodning, overvej den løsning, der bruges af tidlige navigatører.

De vidste, at længdegrad kunne beregnes ud fra solens højde, så længe tiden i hjemmets havn var kendt - derfor var det vigtigt, at flåden byggede præcist, stabile ure.

Ideelt set, et ur ville være tilstrækkeligt, men hvad hvis noget gik galt? To ure er bedre, så længe de begge er enige. Men hvis de er uenige, hvad er rigtigt? Med tre ure, en flertalsafstemning giver tidtageren mulighed for at opdage og nulstille et egensindigt ur.

For binære data, repræsenteret af 0'er og 1'er, gentagelse beskytter information:en logisk bit "0" er repræsenteret i tre fysiske bits som 000, mens "1" er repræsenteret som 111.

Antag under datatransmission af "0", den sidste fysiske bit blev ved et uheld vendt, så den modtagne besked er 001. Modtageren ville straks se, at en fejl havde ødelagt dataene.

Yderligere, ved at tage et flertal, hun ville gætte, at en fejl påvirkede den tredje fysiske bit, og afkode den logiske bit korrekt:"0". Så længe fejl er sjældne, gentagelseskoden tillader logiske data at blive overført pålideligt over støjende, fejludsat kanal.

Kendte ubekendte

En kvante rynke i dette billede er, at det indebærer en "måling". Modtageren ved præcis, hvilke fysiske bits hun modtog (001 i eksemplet, over), hvilket indebærer, at hun var nødt til at måle dem (det vil sige se på dem).

Men kvantemekanikken fortæller os, at målehandlingen fundamentalt ændrer tilstanden i et kvantesystem. Blot måling af kvantebit (qubits) ændrer budskabet.

Så en kvantemodtager må ikke måle qubits direkte, men hun mangler stadig at finde ud af, om der er opstået fejl, og hvor.

For at løse dette vender vi tilbage til gentagelseskoden for vejledning. I stedet for at se på bitværdierne, modtageren kunne i stedet stille følgende to spørgsmål:

• Q1:er den første bit den samme som den anden bit?
• Spørgsmål 2:Er den anden bit den samme som den tredje bit?

Hvis der ikke var fejl, svaret på begge disse spørgsmål ville være "ja", uanset om meddelelsen var 000 eller 111.

Men hvis den sidste bit fik en fejl (modtagelse af 001 eller 110), svaret på Q1 ville være "ja", men Q2 ville være "nej". Fra dette svar, modtageren kan udlede eksistensen af ​​en fejl og dens placering.

Tilsvarende en fejl på den første bit vil blive afsløret af mønsteret Q1 ="Nej", Q2 ="Ja". En fejl på den midterste bit afsløres ved Q1 =Q2 ="Nej". Dermed, enhver enkelt fejl bestemmes entydigt af disse svar, og kan repareres.

Ved at vide, hvilken fysisk bit der opstod en fejl, hun ville rette det ved bevidst at vende den bit, for at vende virkningen af ​​den oprindelige fejl. Dette kan ske uden at kende tilstanden af ​​den beskadigede bit.

Bemærk, at besvarelse af disse spørgsmål kun kræver komparativ viden om de modtagne bits. Det afhænger ikke af deres særlige værdi, heller ikke de kodede logiske oplysninger.

Dette princip fanger essensen af ​​kvantefejlkorrigerende koder. Det giver os mulighed for samtidigt at identificere fejl og undgå at beskadige kvanteinformation.

I stedet for at måle værdien af ​​individuelle fysiske qubits, der stilles en række sammenligningsspørgsmål:"Er qubitsne i gruppe A de samme som hinanden?", "Er qubitsne i gruppe B de samme som hinanden?" og så videre. Svarene på disse spørgsmål giver spor om, hvor fejlene befinder sig, men uden at afsløre selve budskabet.

Disse svar bruges derefter til at udlede og rette de sandsynlige fejl.

Den logiske kvanteinformation er kodet i endnu en kombination af qubits, som vi kun måler, når vi virkelig ønsker at opdage den logiske kvantetilstand.

Denne tilgang er aktiv, og beregningsmæssigt dyrt for store datasæt. For nogle applikationer, er det nødvendigt. Men hvis ingeniører i 1940'erne havde stået over for en lignende kamp for at udvikle tidlige computere, Jeg formoder, at den bærbare computer, jeg skriver dette på, aldrig ville være blevet bygget.

Magnetisk stabilitet

I stedet, de var heldige, som naturen selv laver klassisk fejlkorrektion gratis. Magneter er utroligt stabile, så de bruges til at gemme store mængder information på harddiske med næsten ingen aktiv fejlkorrektion.

Magneter er bare samlinger af mange magnetiske atomer, der har tendens til at justere deres magnetiske akser med hinanden, så de peger alle "nord".

Hvis en kosmisk stråle spontant sparker den magnetiske orientering af et atom, dens atomiske naboer udøver en magnetisk kraft, der tilpasser den med flertalsretningen. Så en magnet kan betragtes som et stykke stof, der passivt fejl retter sig selv, med lokalt flertal.

Desværre for kvantecomputere, vi kender ingen sådan passivt stabil tilstand af kvantemateriale. Faktisk, vi har matematiske beviser på, at sådant stof ikke kan eksistere i et todimensionalt univers, mens det kan i et fire-dimensionelt univers.

Indtil nu, vi ved ikke, om der findes passivt stabilt kvantemateriale i vores eget tredimensionelle univers.

Vi ved, at med tilstrækkelig dygtighed og ressourcer, vi kan aktivt rette kvantefejl.

Men at opbygge en kvantehukommelse er en løbende udfordring. Der er intet som en "kvantemagnet" til let at gemme kvanteinformation for os. Vi er nødt til at designe og bygge et sådant system fra bunden, næsten bogstaveligt talt atom for atom.

En af de første store opgaver, en kvantecomputer vil udføre, er at udføre kvantefejlkorrektion på sig selv. Prosaisk, selvom det lyder, det vil være den første instans i vores kendte univers af virkelig kvantemateriale.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.