Forskere fremmer støjreduktion for kvantecomputere

Et team fra Dartmouth College og MIT har designet og udført den første laboratorietest til succesfuldt at opdage og karakterisere en klasse af komplekse, "ikke-Gaussiske" støjprocesser, der rutinemæssigt støder på i superledende kvantecomputersystemer.

Karakteriseringen af ​​ikke-Gaussisk støj i superledende kvantebit er et kritisk skridt hen imod at gøre disse systemer mere præcise.

Den fælles undersøgelse, udgivet i Naturkommunikation , kunne hjælpe med at accelerere realiseringen af ​​kvantecomputersystemer. Eksperimentet var baseret på tidligere teoretisk forskning udført i Dartmouth og offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve i 2016.

"Dette er det første konkrete skridt mod at forsøge at karakterisere mere komplicerede typer af støjprocesser end almindeligt antaget i kvantedomænet, " sagde Lorenza Viola, en professor i fysik ved Dartmouth, der ledede 2016-undersøgelsen samt teorikomponenten i nærværende arbejde. "Da qubit-kohærensegenskaber konstant forbedres, det er vigtigt at detektere ikke-Gaussisk støj for at bygge de mest præcise kvantesystemer som muligt."

Kvantecomputere adskiller sig fra traditionelle computere ved at gå ud over den binære "on-off" sekvensering, der foretrækkes af klassisk fysik. Kvantecomputere er afhængige af kvantebits - også kendt som qubits - der er bygget ud af atomare og subatomare partikler.

I det væsentlige, Qubits kan placeres i en kombination af både "on" og "off" positioner på samme tid. De kan også være "viklet ind, " betyder, at egenskaberne af en qubit kan påvirke en anden over en afstand.

Superledende qubit-systemer betragtes som en af ​​de førende konkurrenter i kapløbet om at bygge skalerbare, højtydende kvantecomputere. Men, ligesom andre qubit platforme, de er meget følsomme over for deres omgivelser og kan blive påvirket af både ekstern støj og intern støj.

Ekstern støj i kvantecomputersystemer kan komme fra kontrolelektronik eller vildfarne magnetiske felter. Intern støj kan komme fra andre ukontrollerede kvantesystemer såsom materialeurenheder. Evnen til at reducere støj er et stort fokus i udviklingen af ​​kvantecomputere.

"Den store barriere, der forhindrer os i at have storskala kvantecomputere nu, er dette støjproblem." sagde Leigh Norris, en postdoc ved Dartmouth, der var medforfatter til undersøgelsen. "Denne forskning bevæger os i retning af at forstå støjen, hvilket er et skridt i retning af at annullere det, og forhåbentlig have en pålidelig kvantecomputer en dag."

Uønsket støj beskrives ofte i form af simple "Gaussiske" modeller, hvor sandsynlighedsfordelingen af ​​de tilfældige fluktuationer af støj skaber en velkendt, klokkeformet gaussisk kurve. Ikke-Gaussisk støj er sværere at beskrive og detektere, fordi den falder uden for gyldigheden af ​​disse antagelser, og fordi der simpelthen kan være mindre af den.

Når støjens statistiske egenskaber er Gaussiske, en lille mængde information kan bruges til at karakterisere støjen – nemlig korrelationerne på kun to forskellige tidspunkter, eller tilsvarende, i form af en frekvensdomænebeskrivelse, det såkaldte "støjspektrum".

Takket være deres høje følsomhed over for det omgivende miljø, qubits kan bruges som sensorer for deres egen støj. Med udgangspunkt i denne idé, forskere har gjort fremskridt med at udvikle teknikker til at identificere og reducere Gaussisk støj i kvantesystemer, svarende til, hvordan støjreducerende hovedtelefoner fungerer.

Selvom det ikke er så almindeligt som Gaussisk støj, at identificere og annullere ikke-Gaussisk støj er en lige så vigtig udfordring i retning af optimalt design af kvantesystemer.

Ikke-Gaussisk støj er kendetegnet ved mere komplicerede mønstre af korrelationer, der involverer flere tidspunkter. Som resultat, Der kræves meget mere information om støjen, for at den kan identificeres.

I undersøgelsen, forskere var i stand til at tilnærme karakteristika for ikke-Gaussisk støj ved hjælp af information om korrelationer på tre forskellige tidspunkter, svarende til det, der er kendt som "bispektret" i frekvensdomænet.

"Det er første gang, at en detaljeret, frekvensopløst karakterisering af ikke-Gaussisk støj har kunnet udføres i et laboratorium med qubits. Dette resultat udvider markant den værktøjskasse, vi har til rådighed til at udføre nøjagtig støjkarakterisering og derfor skabe bedre og mere stabile qubits i kvantecomputere, " sagde Viola.

En kvantecomputer, der ikke kan registrere ikke-Gaussisk støj, kan let forveksles mellem det kvantesignal, den skal behandle, og uønsket støj i systemet. Protokoller til at opnå ikke-Gaussisk støjspektroskopi eksisterede ikke før Dartmouth-undersøgelsen i 2016.

Mens MIT-eksperimentet for at validere protokollen ikke umiddelbart vil gøre storskala kvantecomputere praktisk levedygtige, det er et stort skridt hen imod at gøre dem mere præcise.

"Denne forskning startede på den hvide tavle. Vi vidste ikke, om nogen ville være i stand til at omsætte den i praksis, men på trods af betydelige konceptuelle og eksperimentelle udfordringer, MIT-holdet gjorde det, " sagde Felix Beaudoin, en tidligere Dartmouth postdoc-studerende i Violas gruppe, som også spillede en medvirkende rolle i at bygge bro mellem teori og eksperiment i undersøgelsen.

"Det har været en absolut fornøjelse at samarbejde med Lorenza Viola og hendes fantastiske teoriteam i Dartmouth, " sagde William Oliver, professor i fysik ved MIT. "Vi har arbejdet sammen i flere år nu på flere projekter, og som kvantecomputere går fra videnskabelig nysgerrighed til teknisk virkelighed, Jeg forudser behovet for mere sådant tværfagligt og interinstitutionelt samarbejde."

Ifølge forskerholdet, der er stadig flere års ekstra arbejde påkrævet for at perfektionere detekteringen og annulleringen af ​​støj i kvantesystemer. I særdeleshed, fremtidig forskning vil bevæge sig fra et enkeltsensorsystem til et tosensorsystem, muliggør karakterisering af støjkorrelationer på tværs af forskellige qubits.