Fysikere bruger kode til at reducere kvantefejl i logiske porte

Forskere ved University of Sydney har for første gang demonstreret forbedring i kvantecomputere ved hjælp af koder, der er designet til at opdage og kassere fejl i sådanne maskiners logiske porte.

"Dette er virkelig første gang, at den lovede fordel for kvantelogiske porte fra teori er blevet realiseret i en egentlig kvantemaskine, "sagde Dr. Robin Harper, hovedforfatter til et nyt papir udgivet i denne uge i det prestigefyldte tidsskrift, Fysisk gennemgangsbreve .

Kvantelogiske porte dannes af sammenfiltrede netværk af et lille antal kvantebits, eller qubits. Det er de switches, der tillader kvantecomputere at køre algoritmer, eller opskrifter, at behandle oplysninger og udføre beregninger.

Dr. Harper og hans kollega professor Steven Flammia, fra School of Physics og University of Sydney Nano Institute, brugte IBMs kvantecomputer til at teste fejlregistreringskoder. De demonstrerede en størrelsesorden forbedring for at reducere utroskab, eller fejlrater, i kvantelogiske porte, de switches, der skal danne grundlag for fuldt fungerende kvantecomputere.

Dr. Jay Gambetta, IBM -stipendiat og hovedteoretisk videnskabsmand hos IBM Q, sagde:"Dette papir er et godt eksempel på, hvordan forskere kan bruge vores offentligt tilgængelige skysystemer til at undersøge grundlæggende problemer. Her viser Harper og Flammia, at ideer om fejltolerance kan udforskes på rigtige enheder, vi bygger og allerede implementerer, i dag."

Kvanteteknologier er stadig i deres vorden, men lover at revolutionere computing i det 21. århundrede ved at udføre beregninger, der menes at være uden for de største og hurtigste supercomputers evne.

De vil gøre dette ved hjælp af stoffets usædvanlige egenskaber i kvanteskalaen, der giver dem mulighed for at behandle information ved hjælp af qubits. Dette er beregningselementer, der udnytter det faktum, at kvanteobjekter kan eksistere i en ubestemt tilstand, kendt som superposition, og kan blive 'sammenfiltret', et fænomen, der beskriver adfærd, der ikke ses på konventionelle computere.

Imidlertid, elektronisk 'støj' forstyrrer let disse tilstande, hurtigt producere fejl i kvanteberegninger, hvilket gør udviklingen af ​​nyttige maskiner meget vanskelig.

"Nuværende enheder har en tendens til at være for små, med begrænset sammenkobling mellem qubits og er for 'støjende' til at tillade meningsfulde beregninger, "Harper sagde." Dog, de er tilstrækkelige til at fungere som testsenge til bevis for principbegreber, såsom at opdage og potentielt rette fejl ved hjælp af kvantekoder. "

Mens de klassiske switches i din bærbare eller mobiltelefon kan køre i mange år uden fejl, på dette stadium begynder kvantekontakter at mislykkes efter bare brøkdele af et sekund.

"En måde at se på dette er gennem begrebet entropi, "sagde professor Flammia." Alle systemer har en tendens til at forstyrre. I konventionelle computere, systemer opdateres let og nulstilles ved hjælp af DRAM og andre metoder, effektivt dumpe entropien ud af systemet, tillader ordnet beregning, " han sagde.

"I kvante systemer, effektive nulstillingsmetoder til bekæmpelse af entropi er meget sværere at konstruere. De koder, vi bruger, er en måde at dumpe denne entropi fra systemet, sagde professor Flammia, som i dag blev tildelt den prestigefyldte Pawsey -medalje af Australian Academy of Science.

Brug af koder til at opdage og kassere fejl på IBMs kvanteenhed, Dr. Harper og professor Flammia viste, at fejlprocenten faldt fra 5,8 procent til 0,60 procent. Så snarere end at en ud af 20 kvanteporte fejler, kun en ud af 200 ville mislykkes, en størrelsesforbedring.

"Dette er et vigtigt skridt fremad for at udvikle fejltolerance i kvantesystemer, så de kan skaleres til meningsfulde enheder, "Harper sagde.

Fysikerne, som begge er forskere med ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems, understregede, at dette var en demonstration af fejltolerante porte på par qubits.

"Der er stadig et stykke vej, før kvantefællesskabet kan demonstrere fejltolerant computing, "Sagde Dr. Harper. Han sagde, at andre grupper har vist forbedringer i andre facetter af kvanteenheder ved hjælp af koder. Det næste trin er at syntetisere og teste disse fremgangsmåder på større anordninger på et par dusin qubits, der muliggør genbrug og reinitialisering af qubits.

Virksomheder som IBM, Google, Rigetti og IonQ er startet eller er ved at begynde at give kvanteforskere mulighed for at teste deres teoretiske tilgange på disse små, støjende maskiner.

"Disse eksperimenter er den første bekræftelse på, at den teoretiske evne til at opdage fejl i driften af ​​logiske porte ved hjælp af kvantekoder er fordelagtig i nutidens enheder, et vigtigt skridt mod målet om at bygge store kvantecomputere, "Harper sagde.