Forskere finder en måde at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputere

USC-forskere har demonstreret en teoretisk metode til at forbedre ydeevnen af ​​kvantecomputere, et vigtigt skridt til at skalere en teknologi med potentiale til at løse nogle af samfundets største udfordringer.

Metoden adresserer en svaghed, der forringer ydeevnen af ​​næste generations computere ved at undertrykke fejlagtige beregninger og samtidig øge resultaternes pålidelighed, et kritisk skridt, før maskinerne kan udkonkurrere klassiske computere efter hensigten. Kaldet "dynamisk afkobling, "det virkede på to kvantecomputere, viste sig at være lettere og mere pålidelig end andre midler og kunne tilgås via skyen, hvilket er det første for dynamisk afkobling.

Teknikken administrerer staccato-udbrud af små, fokuserede energiimpulser til at udligne omgivelsesforstyrrelser, der gør følsomme beregninger ude. Forskerne rapporterer, at de var i stand til at opretholde en kvantetilstand op til tre gange længere, end der ellers ville forekomme i en ukontrolleret tilstand.

"Dette er et skridt fremad, sagde Daniel Lidar, professor i elektroteknik, kemi og fysik ved USC og direktør for USC Center for Quantum Information Science and Technology (CQIST). "Uden fejlundertrykkelse, der er ingen måde, kvantedatabehandling kan overhale klassisk databehandling."

Resultaterne blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve . Lidar er Viterbi professor i ingeniørvidenskab ved USC og tilsvarende forfatter til undersøgelsen; han ledede et team af forskere ved CQIST, som er et samarbejde mellem USC Viterbi School of Engineering og USC Dornsife School of Letters, Kunst og Videnskab. IBM og Bay Area startup Rigetti Computing gav skyadgang til deres kvantecomputere.

Kvantecomputere er hurtige, men skrøbelig

Kvantecomputere har potentialet til at gøre nutidens supercomputere forældede og drive gennembrud inden for medicin, finans- og forsvarskapacitet. De udnytter atomernes hastighed og adfærd, som fungerer radikalt anderledes end siliciumcomputerchips, at udføre tilsyneladende umulige beregninger.

Quantum computing har potentialet til at optimere nye lægemiddelbehandlinger, modeller til klimaændringer og design til nye maskiner. De kan opnå hurtigere levering af produkter, lavere omkostninger til fremstillede varer og mere effektiv transport. De er drevet af qubits, kvanteberegningens subatomare arbejdsheste og byggesten.

Men qubits er lige så temperamentsfulde som højtydende racerbiler. De er hurtige og højteknologiske, men tilbøjelige til at fejle og har brug for stabilitet for at opretholde beregninger. Når de ikke fungerer korrekt, de giver dårlige resultater, hvilket begrænser deres muligheder i forhold til traditionelle computere. Forskere verden over har endnu ikke opnået en "kvantefordel - det punkt, hvor en kvantecomputer overgår en konventionel computer på enhver opgave.

Problemet er "støj, "en catch-all deskriptor for forstyrrelser såsom lyd, temperatur og vibrationer. Det kan destabilisere qubits, som skaber "dekohærens, "en forstyrrelse, der forstyrrer varigheden af ​​kvantetilstanden, hvilket reducerer den tid, en kvantecomputer kan udføre en opgave og samtidig opnå nøjagtige resultater.

"Støj og dekohærens har stor indflydelse og ødelægger beregninger, og en kvantecomputer med for meget støj er ubrugelig, Lidar forklarede. "Men hvis du kan slå problemerne forbundet med støj ned, så begynder du at nærme dig det punkt, hvor kvantecomputere bliver mere nyttige end klassiske computere."

USC-forskning spænder over flere kvantecomputerplatforme

USC er det eneste universitet i verden med en kvantecomputer; dens 1098-qubit D-Wave quantum annealer er specialiseret i at løse optimeringsproblemer. En del af USC-Lockheed Martin Center for Quantum Computing, det er placeret på USC's Information Sciences Institute. Imidlertid, de seneste forskningsresultater blev ikke opnået på D-Wave maskinen, men i mindre skala, kvantecomputere til generelle formål:IBM's 16-qubit QX5 og Rigettis 19-qubit Acorn.

For at opnå dynamisk afkobling (DD), forskerne badede de superledende qubits med stramt fokuserede, tidsindstillede impulser af minut elektromagnetisk energi. Ved at manipulere pulserne, videnskabsmænd var i stand til at omslutte qubits i et mikromiljø, sekvestreret – eller afkoblet – fra omgivende støj, dermed fastholde en kvantetilstand.

"Vi prøvede en simpel mekanisme til at reducere fejl i maskinerne, som viste sig at være effektiv, " sagde Bibek Pokharel, en elektroingeniør doktorand ved USC Viterbi og førsteforfatter af undersøgelsen.

Tidssekvenserne for eksperimenterne var overordentlig små med op til 200 pulser, der spænder over op til 600 nanosekunder. En milliardtedel af et sekund, eller et nanosekund, er hvor lang tid det tager for lys at rejse en fod.

For IBM kvantecomputere, den endelige troskab blev tredoblet, fra 28,9 procent til 88,4 procent. Til Rigetti kvantecomputer, endelige troskabsforbedring var mere beskedne 17 procent, fra 59,8 til 77,1, ifølge undersøgelsen. Forskerne testede, hvor længe troskabsforbedring kunne opretholdes og fandt ud af, at flere pulser altid forbedrede sagen for Rigetti-computeren, mens der var en grænse på omkring 100 pulser for IBM-computeren.

Samlet set, resultaterne viser, at DD-metoden virker bedre end andre kvantefejlkorrektionsmetoder, der er blevet forsøgt indtil videre, sagde Lidar.

"Så vidt vi ved, " skrev forskerne, "dette svarer til den første utvetydige demonstration af succesfuld dekohærens-reduktion i sky-baserede superledende qubit-platforme ... vi forventer, at de dragede erfaringer vil have bred anvendelighed."

Høj indsats i kapløbet om kvanteoverherredømme

Jagten på overherredømme af kvantecomputere er en geopolitisk prioritet for Europa, Kina, Canada, Australien og USA. Fordelen opnået ved at anskaffe den første computer, der gør alle andre computere forældede, ville være enorm og give økonomisk, militære og folkesundhedsmæssige fordele til vinderen.

Kongressen overvejer to nye lovforslag om at etablere USA som førende inden for kvantecomputere. I september, Repræsentanternes Hus vedtog National Quantum Initiative Act for at tildele 1,3 milliarder dollars på fem år til at fremme forskning og udvikling. Det ville skabe et nationalt kvantekoordinationskontor i Det Hvide Hus til at føre tilsyn med forskning i hele landet. En separat regning, Quantum Computing Research Act af senator Kamala Harris, D-Californien, instruerer forsvarsministeriet til at lede en kvanteberegningsindsats.

"Quantum computing er den næste teknologiske grænse, der vil ændre verden, og vi har ikke råd til at komme bagud, " sagde Harris i forberedte bemærkninger. "Det kunne skabe job til den næste generation, helbrede sygdomme og frem for alt gøre vores nation stærkere og sikrere. ... Uden tilstrækkelig forskning og koordinering inden for kvanteberegning, vi risikerer at falde bagud i vores globale konkurrence i cyberspacekapløbet, som gør os sårbare over for angreb fra vores modstandere, " hun sagde.