Korrigering af rystelser i kvanteenheder

Laboratorier rundt om i verden ræser om at udvikle nye computer- og sensorenheder, der fungerer efter kvantemekanikkens principper og kan tilbyde dramatiske fordele i forhold til deres klassiske modstykker. Men disse teknologier står stadig over for flere udfordringer, og en af ​​de mest betydningsfulde er, hvordan man håndterer "støj" - tilfældige udsving, der kan udrydde de data, der er lagret i sådanne enheder.

En ny tilgang udviklet af forskere ved MIT kan give et væsentligt skridt fremad i kvantefejlkorrektion. Metoden indebærer at finjustere systemet til at adressere den slags støj, der er mest sandsynligt, frem for at kaste et bredt net for at forsøge at fange alle mulige kilder til forstyrrelse.

Analysen er beskrevet i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , i et papir af MIT kandidatstuderende David Layden, postdoc Mo Chen, og professor i nuklear videnskab og teknik Paola Cappellaro.

"De vigtigste problemer, vi nu står over for i udviklingen af ​​kvanteteknologier, er, at de nuværende systemer er små og støjende, " siger Layden. Støj, betyder uønsket forstyrrelse af enhver art, er især irriterende, fordi mange kvantesystemer i sagens natur er meget følsomme, en funktion, der ligger til grund for nogle af deres potentielle applikationer.

Og der er et andet problem, Layden siger, hvilket er, at kvantesystemer påvirkes af enhver observation. Så, mens man kan opdage, at et klassisk system driver og anvende en korrektion for at skubbe det tilbage, tingene er mere komplicerede i kvanteverdenen. "Det, der virkelig er vanskeligt ved kvantesystemer, er, at når man ser på dem, du har en tendens til at kollapse dem, " han siger.

Klassiske fejlkorrektionsskemaer er baseret på redundans. For eksempel, i et kommunikationssystem udsat for støj, i stedet for at sende en enkelt bit (1 eller 0), man kan sende tre eksemplarer af hver (111 eller 000). Derefter, hvis de tre bits ikke stemmer overens, der viser, at der var en fejl. Jo flere kopier af hver bit bliver sendt, jo mere effektiv kan fejlkorrektionen være.

Det samme væsentlige princip kunne anvendes til at tilføje redundans i kvantebits, eller "qubits". Men, Layden siger, "Hvis jeg vil have en høj grad af beskyttelse, Jeg skal bruge en stor del af mit system til at udføre den slags kontroller. Og dette er en ikke-starter lige nu, fordi vi har ret små systemer; vi har bare ikke ressourcerne til at lave særlig nyttig kvantefejlkorrektion på den sædvanlige måde." Så i stedet, forskerne fandt en måde at målrette fejlkorrektionen meget snævert mod de specifikke typer støj, der var mest udbredt.

Kvantesystemet, de arbejder med, består af kulstofkerner i nærheden af ​​en bestemt slags defekt i en diamantkrystal kaldet et nitrogen-tomgangscenter. Disse defekter opfører sig som single, isolerede elektroner, og deres tilstedeværelse muliggør kontrol af de nærliggende kulstofkerner.

Men holdet fandt ud af, at det overvældende flertal af støjen, der påvirker disse kerner, kom fra én enkelt kilde:tilfældige udsving i de nærliggende defekter selv. Denne støjkilde kan modelleres nøjagtigt, og at undertrykke dens virkninger kan have en stor indvirkning, da andre støjkilder er relativt ubetydelige.

"Vi forstår faktisk ret godt hovedkilden til støj i disse systemer, " siger Layden. "Så vi behøver ikke kaste et bredt net for at fange enhver hypotetisk type støj."

Holdet kom med en anden fejlkorrektionsstrategi, skræddersyet til at imødegå netop dette, dominerende støjkilde. Som Layden beskriver det, støjen kommer fra "denne ene centrale defekt, eller denne ene centrale 'elektron, ' som har en tendens til at hoppe rundt tilfældigt. Det ryster."

Den rystelse, på tur, mærkes af alle de nærliggende kerner, på en forudsigelig måde, der kan rettes.

"Resultatet af vores tilgang er, at vi er i stand til at få et fast beskyttelsesniveau ved at bruge langt færre ressourcer, end der ellers ville være nødvendigt, " siger han. "Vi kan bruge et meget mindre system med denne målrettede tilgang."

Arbejdet indtil videre er teoretisk, og teamet arbejder aktivt på en laboratoriedemonstration af dette princip i aktion. Hvis det virker som forventet, dette kunne udgøre en vigtig komponent i fremtidige kvantebaserede teknologier af forskellig art, siger forskerne, inklusive kvantecomputere, der potentielt kunne løse tidligere uløselige problemer, eller kvantekommunikationssystemer, der kunne være immune over for snoking, eller meget følsomme sensorsystemer.

"Dette er en komponent, der kan bruges på flere måder, " siger Layden. "Det er, som om vi udvikler en vigtig del af en motor. Vi er stadig et stykke vej fra at bygge en fuld bil, men vi har gjort fremskridt på en kritisk del."

"Kvantefejlkorrektion er den næste udfordring for feltet, " siger Alexandre Blais, professor i fysik ved University of Sherbrooke, i Canada, som ikke var tilknyttet dette arbejde. "Kompleksiteten af ​​nuværende kvantefejlkorrigerende koder er, imidlertid, skræmmende, da de kræver et meget stort antal qubits for robust at indkode kvanteinformation."

Blais tilføjer, "Vi har nu erkendt, at det kan være meget fordelagtigt at udnytte vores forståelse af de enheder, hvori kvantefejlkorrektion skal implementeres. Dette arbejde yder et vigtigt bidrag i denne retning ved at vise, at en almindelig type fejl kan korrigeres for i en meget mere effektiv måde end forventet. For at kvantecomputere skal blive praktiske, har vi brug for flere ideer som denne."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.