Nyt fejlkorrektionsskema udviklet til kvantecomputere

Forskere i Australien har udviklet en ny tilgang til at reducere de fejl, der plager eksperimentelle kvantecomputere; et trin, der kunne fjerne en kritisk vejspærring, der forhindrer dem i at opskalere til fuldt arbejdende maskiner.

Ved at udnytte det uendelige geometriske rum i et bestemt kvantesystem, der består af bosoner, forskerne, ledet af Dr. Arne Grimsmo fra University of Sydney, har udviklet kvantefejlkorrektionskoder, der skal reducere antallet af fysiske kvanteomskiftere, eller qubits, påkrævet for at skalere disse maskiner til en nyttig størrelse.

"Det smukke ved disse koder er, at de er 'platformagnostiske' og kan udvikles til at arbejde med en bred vifte af kvantehardwaresystemer, " sagde Dr. Grimsmo.

"Mange forskellige typer af bosoniske fejlkorrektionskoder er blevet demonstreret eksperimentelt, f.eks. 'katkoder' og 'binomiske koder', " sagde han. "Det, vi har gjort i vores papir, er at forene disse og andre koder i en fælles ramme."

Forskningen, udgivet i denne uge i Fysisk gennemgang X , blev skrevet sammen med Dr. Joshua Combes fra University of Queensland og Dr. Ben Baragiola fra RMIT University. Samarbejdet er på tværs af to førende kvanteforskningscentre i Australien, ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Machines og ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology.

Robuste qubits

"Vores håb er, at den robusthed, der tilbydes ved at 'afstande tingene ud' i et uendeligt Hilbert-rum, giver dig en qubit, der er meget robust, fordi det kan tolerere almindelige fejl som fotontab, "sagde Dr. Grimsmo fra University of Sydney Nano Institute og School of Physics.

Forskere på universiteter og hos teknologivirksomheder over hele kloden arbejder på at opbygge en universel, fejltolerant kvantecomputer. Det store løfte ved disse enheder er, at de kan bruges til at løse problemer uden for rækkevidde af klassiske supercomputere inden for så forskellige områder som materialevidenskab, lægemiddelopdagelse og -sikkerhed og kryptografi.

Da Google sidste år erklærede, at det har en maskine, der har opnået 'quantum supremacy' - der udfører en uden tvivl ubrugelig opgave, men ud over omfanget af en klassisk computer - fortsætter interessen inden for quantum computing og engineering stadig.

Men at bygge en kvantemaskine, der kan gøre noget nyttigt, vil kræve tusindvis, hvis ikke millioner af kvantebits fungerer uden at blive overvældet med fejl.

Og qubits er, i sagens natur, risiko for fejl. Den 'kvantehed', der giver dem mulighed for at udføre en helt anden type computeroperation, betyder, at de er meget skrøbelige og modtagelige for elektromagnetisk og anden interferens.

Identificere, fjernelse og reduktion af fejl i kvanteberegning er en af ​​de centrale opgaver, fysikere, der arbejder på dette område, står over for.

Skrøbelige superpositioner

Kvantecomputere udfører deres opgaver ved at kode information ved hjælp af kvantesuperposition - en fundamental facet af naturen, hvor et endeligt resultat af et fysisk system er uafklaret, indtil det er målt. Indtil det punkt, informationen eksisterer i en tilstand med flere mulige udfald.

Dr. Grimsmo sagde:"En af de mest fundamentale udfordringer for at realisere kvantecomputere er kvantesuperpositioners skrøbelige natur. Heldigvis, det er muligt at overvinde dette problem ved hjælp af kvantefejlkorrektion."

Dette gøres ved at kode information redundant, tillader korrektion af fejl, når de sker under en kvanteberegning. Standardtilgangen til at opnå dette er at bruge et stort antal skelnelige partikler som informationsbærere. Almindelige eksempler er arrays af elektroner, fangede ioner eller kvanteelektriske kredsløb.

Imidlertid, dette skaber et stort netværk af 'fysiske qubits' for at kunne betjene en enkelt, logisk qubit, der udfører det behandlingsarbejde, du har brug for.

Dette behov for at skabe et stort netværk af fysiske qubits for at understøtte arbejdet i en enkelt operations-qubit er en ikke-triviel barriere mod at konstruere kvantemaskiner i stor skala.

Uadskillelige bosoner

Dr. Grimsmo sagde:"I dette arbejde, vi overvejer en alternativ tilgang baseret på kodning af kvanteinformation i samlinger af bosoner." Den mest almindelige type boson er fotonen, en pakke med elektromagnetisk energi og masseløs 'lyspartikel'.

Ved at fange bosoner i en bestemt mikrobølge eller optisk hulrum, de kan ikke skelnes fra hinanden, I modsætning til, sige, en række fangede ioner, som kan identificeres ved deres placering.

"Fordelen ved denne tilgang er, at et stort antal bosoner kan fanges i et enkelt kvantesystem, såsom fotoner fanget i et højkvalitets optisk eller mikrobølgehulrum, "Dr. Grimsmo sagde. "Dette kan drastisk reducere antallet af fysiske systemer, der kræves for at bygge en kvantecomputer."

Forskerne håber, at deres grundlæggende arbejde vil hjælpe med at opbygge en køreplan mod fejltolerance i kvantecomputere.