Forskere arbejder på at sikre nøjagtig afkodning i skrøbelige kvantetilstande

Når computere deler information med hinanden, informationen bliver kodet til bits, derefter afkodet tilbage til sin oprindelige form. I processen, stykker af informationen bliver nogle gange forvrænget, eller tabt. Som et forenklet eksempel, en forkert afkodet e-mail, der siger "Jeg sender dig nu pengene" kunne ankomme til sin destination og sige "Jeg sender dig ikke pengene."

Et andet eksempel:Når du gemmer et dokument på din computer, du forventer, at den indeholder de samme oplysninger, når du genåbner den. Og, hvis du beder en computer om at løse ligningen 2+2, du skal stole på, at den vil spytte 4 ud. Dette er endnu vigtigere for komplekse ligninger, som du ikke selv kan beregne, ligesom værdierne for x, y og z i den diofantiske ligning x ³ + y ³ + z ³ =42.

Bane Vasic, en professor i elektro- og computerteknik og direktør for Error Correction Laboratory ved University of Arizona College of Engineering, har specialiseret sig i fejlretningskoder, som sikrer, at de oplysninger, der deles og beregnes af computere, er korrekt afkodet, før de ankommer til sin destination. Han studerer også fejltolerance, eller en computers eller netværk af computeres evne til at fortsætte med at fungere, når en eller flere af dens komponenter svigter.

Vasic har været medvirkende til at udvikle en klasse af fejlkorrektionskoder - kaldet low-density parity check codes, eller LDPC-koder - brugt meget i klassisk kommunikation og datalagring. I et projekt finansieret af $1,1 millioner fra National Science Foundation, Vasic samarbejder med Saikat Guha i James C. Wyant College of Optical Sciences for at teste gennemførligheden af ​​kvante-LDPC-koder i kvantecomputere for første gang.

Anvendelse af en klassisk teknik på kvantenetværk

Mens x ³ + y ³ + z ³ =42 er en kompleks ligning, det er muligt at løse for x, y og z med klassisk databehandling. Faktisk, i 2019 brugte en gruppe videnskabsmænd et netværk af klassiske computere til at gøre netop det. Det tog mere end en million timers beregning. Kvanteberegning har potentialet til at løse ligninger som denne på få sekunder.

"Gennem kvanteberegning, vi vil være i stand til at analysere meget komplicerede fænomener, og at løse problemer, der ikke kan løses af klassiske computere. Og dette vil ske meget hurtigt, " sagde Vasic. "Der er anvendelser inden for biologi; medicin; økonomi; simulering af fysisk, kemiske og biologiske systemer; opdagelsen af ​​nye materialer; og design af molekyler."

Hvordan er det muligt? Klassisk databehandling gemmer information i enheder kaldet bits, som eksisterer som enten 0'ere eller 1'ere. Kvanteberegning bruger enheder kaldet qubits, som kan eksistere i flere tilstande samtidigt. Superpositionen af ​​stater er det, der giver mulighed for ultrahurtig, futuristisk databehandling. Imidlertid, da qubits fysisk realiseres som subatomære partikler, denne tilstand er meget skrøbelig at skabe og vedligeholde, gør qubits mere tilbøjelige til at fejle, eller usammenhæng, end bits.

Teoretiske fysikere spekulerer nu i, at qubits også er det, der udgør rum-tid, eller universets stof. Og nyere forskning har vist, at kvantefejlkorrektion forklarer, hvorfor rum-tid er så robust, trods sine skrøbelige byggesten.

Faktisk, qubits er så følsomme, at selve det at måle dem kan forårsage forandring. I øjeblikket, kvantefejlkorrektion involverer først omhyggeligt at observere qubits og registrere resultater som klassisk information. Derefter, en klassisk computer beregner, hvad der er galt, og videnskabsmænd overfører fejlkorrektionsinformationen til kvantesystemet.

"I dette projekt vi undersøger metoder, hvor vi ikke forlader kvanteverdenen, så alle operationer vil også være kvante, " sagde Vasic. "Vi ønsker at undersøge, om afkodning kan udføres ved at behandle kvanteinformation."

Sende beskeder for at dæmpe støj

Nutidens computere består af milliarder af grundlæggende byggeklodser kaldet logiske porte. Disse porte anvender forskellige operationer på binær information, der behandles. For eksempel, en af ​​de enkleste slags porte er en IKKE-port, som omdanner bits til deres modsætninger ved at indtage 0'er og udsende 1'ere og omvendt. Imidlertid, nogle gange får signalinterferens og støj porte til at lave fejl, hvilket fører til forkerte resultater. Quantum porte udfører mere alsidige og eksotiske operationer end deres klassiske slægtninge gør, men er mere støjende og mere tilbøjelige til at fejle.

Fejlkorrigerende koder sammenfiltrer qubits på en meget specifik måde, så qubits stabiliserer hinanden. Vasics dekodere tillader qubits at videregive information om hinanden frem og tilbage. Lignende algoritmer for meddelelsesoverførsel bruges i kunstig intelligens. Ingen af ​​de enkelte bits har fuldstændig viden om værdien af ​​andre bits, men sammen – gennem meddelelser – lærer de i fællesskab, om der er fejl, og præcis hvilke bits de er placeret i. Dette nye projekt fokuserer på at udvikle en kvanteversion af sådanne kunstige intelligensalgoritmer.

"Den største fordel ved LDPC-koder er, at de understøtter den slags algoritmer for meddelelsesoverførsel, som er fejltolerante, " sagde Vasic. "I kvantesystemer, vi skal have fejltolerance, fordi, på grund af det højere støjniveau, kvanteporte er størrelsesordener mere støjende og mere upålidelige end klassiske logiske porte."

Vasic og flere andre ingeniørfakultetsmedlemmer er også en del af det nyoprettede Center for Quantum Networks, et femårigt, $26 millioner NSF Engineering Research Center ledet af University of Arizona. Centeret, instrueret af Guha, har til formål at lægge grundlaget for kvanteinternettet, og fejlkorrektion repræsenterer en kritisk del af virksomheden.

"Dette er en manglende brik til at realisere kvantecomputere og netværk, " sagde Vasic. "Disse kvante-LDPC-koder er den næste generation af koder, der vil blive brugt, men vi er nødt til at udvikle algoritmer til at afkode effektivt og fejltolerant."

"Med den nylige ansættelse af flere nye fakultetsmedlemmer med speciale i kvanteteknik, kollegiet og universitetet positionerer sig i spidsen for dette felt, " sagde David W. Hahn, Craig M. Berge dekan ved College of Engineering. "Vi er heldige at have forskere som Dr. Vasic til at bringe deres erfaring og uvurderlige ekspertise til bordet."