Håndtering af fejl i kvantealderen

Kvantesystemer kan manipuleres med ekstrem høj præcision, men ikke perfekt. Forskere ved Institut for Fysik ved ETH Zürich har nu demonstreret, hvordan man overvåger og retter fejl, der opstår under sådanne operationer.

Kvanteberegningsområdet har oplevet enorme fremskridt i de seneste år. I stigende grad, kvanteenheder udfordrer konventionelle computere, i hvert fald ved en håndfuld udvalgte opgaver. Til trods for nuværende fremskridt, nutidens kvanteinformationsprocessorer kæmper stadig med at klare fejl, som uundgåeligt forekommer i enhver beregning. Denne manglende evne til at rette fejl effektivt hindrer indsatsen mod vedvarende, storskala behandling af kvanteinformation. Nu, et sæt eksperimenter fra gruppen af ​​Jonathan Home ved Institute for Quantum Electronics har, for første gang, integreret en række elementer, der er nødvendige for at udføre kvantefejlkorrektion i et enkelt eksperiment. Disse resultater er blevet offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur .

At gøre ufuldkommenhed acceptabel

Ligesom deres klassiske modstykker, kvantecomputere er bygget af ufuldkomne komponenter, og de er langt mere følsomme over for forstyrrelser udefra. Dette fører uundgåeligt til fejl, når beregningerne udføres. For konventionelle computere, der findes et veletableret værktøjssæt til at opdage og rette sådanne fejl. Kvantecomputere vil stole endnu mere på at lokalisere og rette fejl. Dette kræver begrebsmæssigt forskellige tilgange, der tager højde for det faktum, at information er kodet i kvantetilstande. I særdeleshed, udlæsning af kvanteinformation gentagne gange uden at forstyrre den, et krav om at opdage fejl, og at reagere i realtid for at vende disse fejl udgør betydelige udfordringer.

Gentag præstation

Hjem-gruppen koder kvanteinformation i kvantetilstande af enkelte ioner, der er spændt sammen i en fælde. Typisk, disse strenge indeholder ioner af kun én art. Men ph.d. studerende Vlad Negnevitsky og Matteo Marinelli, sammen med postdoc Karan Mehta og andre kolleger, har nu skabt strenge, hvori de fangede to forskellige arter - to berylliumioner ( ⁹ Være ⁺ ) og en calciumion ( ⁴⁰ Ca ⁺ ). Sådanne blandede artsstrenge er blevet produceret før, men holdet har brugt dem på nye måder.

De gjorde brug af de tydeligt forskellige egenskaber, som de to arter besidder. I særdeleshed, i deres eksperimenter, de manipulerede og målte beryllium- og calciumioner ved hjælp af forskellige lysfarver. Dette åbner mulighed for at arbejde på én art uden at forstyrre den anden. På samme tid, ETH-forskerne fandt måder at lade de ulige ioner interagere med hinanden, således at målinger på calciumionerne giver information om berylliumionernes kvantetilstande, uden at korrumpere disse skrøbelige stater. Vigtigt, fysikerne overvågede beryllium-ionerne gentagne gange, da de blev udsat for ufuldkommenheder og fejl. Holdet udførte 50 målinger på det samme system, hvorimod der i tidligere forsøg (hvor kun calciumioner blev brugt), en sådan gentagne udlæsning har været begrænset til kun nogle få runder.

Korrigerende handling

Spotting af fejl er én ting; tage skridt til at rette op på dem en anden. For at gøre det sidste, forskerne udviklede et kraftfuldt kontrolsystem til gentagne gange at skubbe beryllium-ionerne afhængigt af, hvor meget de forvildede sig væk fra måltilstanden. At bringe ionerne tilbage på sporet krævede kompleks informationsbehandling på en tidsskala af mikrosekunder. Da systemet anvender klassisk styreelektronik, den nu demonstrerede tilgang burde også være nyttig for kvanteberegningsplatforme baseret på andre informationsbærere end fangede ioner.

Vigtigt, Negnevitsky, Marinelli, Mehta og deres medarbejdere demonstrerede, at disse teknikker også kan bruges til at stabilisere tilstande, hvor de to berylliumioner deler sammenfiltrede kvantetilstande, som ikke har nogen direkte ækvivalent i klassisk fysik. Entanglement er en ingrediens, der giver kvantecomputere unikke egenskaber. I øvrigt, sammenfiltring kan også bruges til at øge nøjagtigheden af ​​præcisionsmålinger. Ingredienser til fejlkorrektion som dem, der nu er demonstreret, kan få disse tilstande til at vare længere - hvilket giver spændende udsigter, ikke kun for kvanteberegning, men også for metrologi.