Et sting i tiden:Hvordan en kvantefysiker opfandt ny kode fra gamle tricks

En videnskabsmand ved University of Sydney har opnået, hvad en kvanteindustri -insider har beskrevet som "noget, som mange forskere troede var umuligt".

Dr. Benjamin Brown fra School of Physics har udviklet en type fejlkorrigerende kode til kvantecomputere, der vil frigøre mere hardware til at lave nyttige beregninger. Det giver også en tilgang, der vil give virksomheder som Google og IBM mulighed for at designe bedre kvantemikrochips.

Han gjorde dette ved at anvende allerede kendt kode, der opererer i tre dimensioner, til en todimensionel ramme.

"Tricket er at bruge tid som den tredje dimension. Jeg bruger to fysiske dimensioner og tilføjer tid som den tredje dimension, " sagde Dr. Brown. "Dette åbner op for muligheder, vi ikke havde før."

Hans forskning er offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt .

"Det er lidt ligesom at strikke, " sagde han. "Hver række er som en endimensionel linje. Du strikker række efter række uld og, over tid, dette producerer et todimensionelt panel af materiale."

Fejltolerante kvantecomputere

At reducere fejl i kvanteberegning er en af ​​de største udfordringer, som videnskabsmænd står over for, før de kan bygge maskiner, der er store nok til at løse nyttige problemer.

"Fordi kvanteinformation er så skrøbelig, det giver en masse fejl, "sagde Dr. Brown, en forsker ved University of Sydney Nano Institute.

Det er umuligt at udrydde disse fejl, så målet er at udvikle en "fejltolerant" arkitektur, hvor nyttige behandlingsoperationer langt opvejer fejlkorrigerende operationer.

"Din mobiltelefon eller bærbare computer vil udføre milliarder af operationer over mange år, før en enkelt fejl udløser en tom skærm eller en anden fejl. Nuværende kvanteoperationer er heldige at have færre end én fejl for hver 20 operationer - og det betyder millioner af fejl en time, " sagde Dr. Brown, som også har en stilling hos ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems.

"Det er mange tabte sting."

De fleste af byggestenene i nutidens eksperimentelle kvantecomputere – kvantebits eller qubits – optages af fejlkorrektionens "overhead".

"Min tilgang til at undertrykke fejl er at bruge en kode, der fungerer på tværs af arkitekturens overflade i to dimensioner. Effekten af ​​dette er at frigøre meget af hardwaren fra fejlkorrektion og give den mulighed for at komme videre med de nyttige ting, " sagde Dr. Brown.

Dr. Naomi Nickerson er direktør for Quantum Architecture hos PsiQuantum i Palo Alto, Californien, og uden forbindelse til forskningen. Hun sagde:"Dette resultat etablerer en ny mulighed for at udføre fejltolerante porte, som har potentialet til i høj grad at reducere overhead og bringe praktisk kvanteberegning tættere på."

Vejen til universel beregning

Start-ups som PsiQuantum, samt de store teknologivirksomheder Google, IBM og Microsoft, fører an i udviklingen af ​​kvanteteknologi i stor skala. Det er akut nødvendigt at finde fejlkorrigerende koder, der gør det muligt for deres maskiner at skalere op.

Dr. Michael Beverland, en seniorforsker hos Microsoft Quantum og også uden forbindelse til forskningen, sagde:"Dette papir udforsker en spændende, eksotisk tilgang til at udføre fejltolerant kvanteberegning, peger på vejen mod potentielt at opnå universel kvanteberegning i to rumlige dimensioner uden behov for destillation, noget, som mange forskere troede var umuligt. "

Todimensionelle koder, der i øjeblikket eksisterer, kræver, hvad Dr. Beverland omtaler som destillation, mere præcist kendt som 'magic-state destillation'. Det er her, kvanteprocessoren sorterer gennem de mange beregninger og udtrækker de nyttige.

Dette tygger en masse computerhardware op, blot undertrykker fejlene.

"Jeg har anvendt kraften i den tredimensionelle kode og tilpasset den til den todimensionelle ramme, " sagde Dr. Brown.

Dr. Brown har haft travlt i år. I marts udgav han en artikel i topfysiktidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve med kolleger fra EQUS og University of Sydney. I den forskning udviklede han og kolleger en dekoder, der identificerer og retter flere fejl end nogensinde før, opnåelse af en verdensrekord i fejlretning.

"At identificere de mere almindelige fejl er en anden måde, hvorpå vi kan frigøre mere processorkraft til nyttige beregninger, " sagde Dr. Brown.

Professor Stephen Bartlett er medforfatter af denne artikel og leder forskningsgruppen om kvanteinformationsteori ved University of Sydney.

"Vores gruppe i Sydney er meget fokuseret på at opdage, hvordan vi kan opskalere kvanteeffekter, så de kan drive store enheder, sagde professor Bartlett, som også er associeret dekan for forskning på Det Naturvidenskabelige Fakultet.

"Dr. Browns arbejde har vist, hvordan man gør dette for en kvantechip. Denne type fremskridt vil gøre os i stand til at gå fra små antal qubits til meget store tal og bygge ultrakraftfulde kvantecomputere, der vil løse morgendagens store problemer. "