Fejlfri ind i kvantecomputerens tidsalder

En undersøgelse ledet af fysikere ved Swansea University i Wales, udført af et internationalt hold af forskere og publiceret i tidsskriftet Fysisk gennemgang X viser, at ion-fælde-teknologier, der er tilgængelige i dag, er velegnede til at bygge kvantecomputere i stor skala. Forskerne introducerer fangede-ion kvantefejlkorrektionsprotokoller, der opdager og korrigerer behandlingsfejl.

For at nå deres fulde potentiale, nutidens kvantecomputerprototyper skal opfylde specifikke kriterier:For det første, de skal gøres større, hvilket betyder, at de skal bestå af et betydeligt højere antal kvantebits. Sekund, de skal være i stand til at behandle fejl. "Vi fejler stadig i at køre komplekse beregninger, fordi miljøstøj og fejl får systemet til at komme ud af kontrol, " siger kvantefysiker Rainer Blatt i Innsbruck. "Ved at bruge kvantefejlkorrektion, vi kan reagere bedre på denne udfordring." Klassiske computere bruger lignende skemaer til at opdage og rette fejl under datalagring og -overførsel:Før data gemmes og overføres, redundans føjes til dataene normalt i form af yderligere bits, der detekterer og retter fejl. Forskere har udviklet sammenlignelige skemaer til kvantecomputere, hvor kvanteinformation er kodet i flere sammenfiltrede fysiske kvantebits. "Her udnytter vi kvantemekaniske egenskaber til fejldetektion og korrektion, " forklarer Markus Müller fra Swansea University, Wales. "Hvis vi kan holde støjen under en vis tærskel, vi vil være i stand til at bygge kvantecomputere, der kan udføre kvanteberegninger af vilkårlig kompleksitet ved at øge antallet af sammenfiltrede kvantebits tilsvarende."

Fange ioner i en labyrint

Markus Müller og hans kollega Alejandro Bermudez Carballo forklarer, at for at nå dette mål, de teknologiske platformes muligheder skal udnyttes optimalt. "For gavnlig fejlkorrektion har vi brug for kvantekredsløb, der er stabile og fungerer pålideligt under realistiske forhold, selvom der opstår yderligere fejl under fejlkorrektionen, " forklarer Bermudez. De introducerede nye varianter af fejltolerante protokoller og undersøgte, hvordan disse kan implementeres med aktuelt tilgængelige operationer på kvantecomputere. Forskerne fandt ud af, at en ny generation af segmenterede ionfælder tilbyder ideelle betingelser for processen:Ioner kan shuttles hurtigt på tværs af forskellige segmenter af fælde-arrayet. Præcis timede processer muliggør parallelle operationer i forskellige lagrings- og behandlingsområder. Ved at bruge to forskellige typer ioner i en fælde, videnskabsmænd kan bruge én type som bærere af data-qubits, mens den anden kan bruges til fejlmåling, støjdæmpning og køling.

En ny generation af kvantecomputere

Med udgangspunkt i den eksperimentelle erfaring fra forskningsgrupper i Innsbruck, Mainz, Forskerne i Zürich og Sydney har defineret kriterier, der gør det muligt for forskerne at afgøre, om kvantefejlkorrektionen er gavnlig. Ved at bruge denne information kan de guide udviklingen af ​​fremtidige ion-fælde kvantecomputere med det mål at realisere en logisk kvantebit i den nærmeste fremtid, på grund af fejlretning, overstiger egenskaberne for en ren fysisk kvantebit.

Simon Benjamins forskergruppe ved University of Oxford viste gennem komplekse numeriske simuleringer af de nye fejlkorrektionsprotokoller, hvordan hardwaren i næste generations ion-fælde kvantecomputere skal bygges for at kunne behandle information fejltolerant. "Vores numeriske resultater viser tydeligt, at avancerede ion-fælde-teknologier er velegnede til at tjene som platforme til konstruktion af storskala fejltolerante kvantecomputere, " forklarer Benjamin.