Forskere demonstrerer ny vej til pålidelig kvanteberegning

Forskere ved University of Chicago offentliggjorde en ny teknik til at forbedre pålideligheden af ​​kvantecomputere ved at få adgang til højere energiniveauer end traditionelt antaget. Det meste tidligere arbejde inden for kvanteberegning beskæftiger sig med "qubits, " kvanteanalogen af ​​binære bits, der koder enten nul eller én. Det nye arbejde udnytter i stedet "qutrits, "kvanteanaloger af trits på tre niveauer, der er i stand til at repræsentere nul, en eller to.

UChicago-gruppen arbejdede sammen med forskere baseret på Duke University. Begge grupper er en del af EPiQC (Enabling Practical-scale Quantum Computation) samarbejdet, en NSF-ekspedition i databehandling. EPiQC's tværfaglige forskning spænder fra algoritme- og softwareudvikling til arkitektur og hardwaredesign, med det ultimative mål hurtigere at realisere kvantecomputerens enorme potentiale til videnskabelig opdagelse og computerinnovation.

Få adgang til højere energiniveauer

Værket kan ses i sammenhæng med en grundlæggende rum-tid afvejning, der er almindelig inden for datalogi:Programmer kan fremskyndes ved at bruge mere hukommelse, eller alternativt programmer kan reducere hukommelseskravene ved at pådrage sig længere køretider. Men i forbindelse med kvanteberegning, hvor maskiner på kort sigt er stærkt begrænset i både hukommelse og understøttede køretider, ingen af ​​disse kompromiser er acceptable.

Løsningen, som EPiQC-teamet opdagede, var at bryde abstraktionen ved at bruge binære qubits. "Mens binær logik giver mening for den on-off fysik, der ligger til grund for konventionelle computere, kvantehardware er ikke i sagens natur binær, " forklarer forsker Pranav Gokhale, en kandidatstuderende ved University of Chicago. Faktisk, tilstande på en kvantecomputer tilhører et uendeligt spektrum, så qubit er blot et kunstigt konstrueret valg af kun at bruge to af tilstandene.

Holdet fandt ud af, at ved at tillade brugen af ​​tre tilstande via qutrits, en af ​​de grundlæggende operationer i kvanteberegning er eksponentielt hurtigere uden at kræve yderligere hukommelse. Holdet bekræftede deres opdagelse med simuleringer kørt under realistiske støjforhold.

"Qutrits har en pris, da tilstedeværelsen af ​​en yderligere tilstand indebærer flere mulige fejlkilder, sagde Gokhale. Ikke desto mindre, vores simuleringer viser, at qutrits har en overbevisende fordel med to til ti gange højere pålidelighed end qubit-only algoritmer for kortsigtede benchmarks."

Slå bro mellem hardware og software

Holdets opdagelse er godt afstemt med EPiQC's tværfaglige fokus på at bygge bro mellem kvantehardware og software. En tidlig fase af dette arbejde blev præsenteret på Quantum Information Processing Conference i januar, hvor den vandt prisen for bedste plakat. Siden da, forskningen er blevet finjusteret til at matche sofistikerede hardwaremodeller udviklet i samarbejde med eksperter, der arbejder på superledende og fangede ion kvantecomputere.

"Ved at skræddersy algoritmer til at drage fordel af de unikke muligheder i kvantehardware, vi indser effektivitetsgevinster, der ellers er skjult bag abstraktionsbarriererne mellem hardware og software, " bemærker Fred Chong, Seymour Goodman professor i datalogi ved UChicago og ledende PI for EPiQC. "I dette tilfælde, vores hardwaremodellering fik os til at gense og udfordre den konventionelle visdom om, at binær operation er bedst til beregning."

Hele papiret, "Asymptotiske forbedringer af kvantekredsløb via Qutrits, " er nu offentliggjort på arXiv.