Kvanteforskere skaber en fejlkorrigerende kat

Yale-fysikere har udviklet en fejlkorrigerende kat - en ny enhed, der kombinerer Schrödingers kat-begrebet superposition (et fysisk system, der eksisterer i to tilstande på én gang) med evnen til at rette nogle af de vanskeligste fejl i en kvanteberegning.

Det er Yales seneste gennembrud i bestræbelserne på at mestre og manipulere den fysik, der er nødvendig for en nyttig kvantecomputer:Korrigering af strømmen af ​​fejl, der dukker op blandt skrøbelige stykker kvanteinformation, kaldet qubits, mens du udfører en opgave.

En ny undersøgelse, der rapporterer om opdagelsen, vises i tidsskriftet Natur . Seniorforfatteren er Michel Devoret, Yales F.W. Beinecke professor i anvendt fysik og fysik. Studiets medførste forfattere er Alexander Grimm, en tidligere postdoktor i Devorets laboratorium, som nu er en tenure-track videnskabsmand ved Paul Scherrer Institute i Schweiz, og Nicholas Frattini, en kandidatstuderende i Devorets laboratorium.

Kvantecomputere har potentialet til at transformere en række industrier, fra lægemidler til finansielle tjenesteydelser, ved at muliggøre beregninger, der er størrelsesordener hurtigere end nutidens supercomputere.

Yale - ledet af Devoret, Robert Schoelkopf, og Steven Girvin – fortsætter med at bygge på to årtiers banebrydende kvanteforskning. Yales tilgang til at bygge en kvantecomputer kaldes "kredsløb QED" og anvender partikler af mikrobølgelys (fotoner) i en superledende mikrobølgeresonator.

I en traditionel computer, information er kodet som enten 0 eller 1. De eneste fejl, der dukker op under beregninger, er "bit-flips, " når en smule information ved et uheld skifter fra 0 til 1 eller omvendt. Måden at rette det på er ved at indbygge redundans:ved at bruge tre "fysiske" informationsbits for at sikre én "effektiv" – eller nøjagtig – bit.

I modsætning, kvanteinformationsbits - qubits - er underlagt både bit-flips og "fase-flips, ", hvor en qubit tilfældigt bladrer mellem kvantesuperpositioner (når to modsatte tilstande eksisterer samtidigt).

Indtil nu, kvanteforskere har forsøgt at rette fejl ved at tilføje større redundans, kræver en overflod af fysiske qubits for hver effektiv qubit.

Indtast kattens qubit - opkaldt efter Schrödingers kat, det berømte paradoks, der bruges til at illustrere begrebet superposition.

Tanken er, at en kat placeres i en forseglet boks med en radioaktiv kilde og en gift, der vil blive udløst, hvis et atom af det radioaktive stof henfalder. Kvantefysikkens superpositionsteori antyder, at indtil nogen åbner kassen, katten er både levende og død, en superposition af stater. Åbning af æsken for at observere katten får den til at ændre sin kvantetilstand tilfældigt, tvinger den til enten at være levende eller død.

"Vores arbejde udspringer af en ny idé. Hvorfor ikke bruge en smart måde at indkode information i et enkelt fysisk system, så en type fejl direkte undertrykkes?" spurgte Devoret.

I modsætning til de flere fysiske qubits, der er nødvendige for at opretholde én effektiv qubit, en enkelt cat qubit kan forhindre faseskift helt af sig selv. Cat qubit koder en effektiv qubit til superpositioner af to tilstande inden for et enkelt elektronisk kredsløb - i dette tilfælde en superledende mikrobølgeresonator, hvis oscillationer svarer til de to tilstande af cat qubit.

"Vi opnår alt dette ved at anvende mikrobølgefrekvenssignaler til en enhed, der ikke er væsentligt mere kompliceret end en traditionel superledende qubit, " sagde Grimm.

Forskerne sagde, at de er i stand til at ændre deres kat-qubit fra en hvilken som helst af dens superpositionstilstande til enhver anden superpositionstilstand, på kommando. Ud over, forskerne udviklede en ny måde at udlæse - eller identificere - den information, der er indkodet i qubit.

"Dette gør det system, vi har udviklet, til et alsidigt nyt element, der forhåbentlig vil finde sin anvendelse i mange aspekter af kvanteberegning med superledende kredsløb, " sagde Devoret.