Kvantecomputere gør det (øjeblikkelige) twist

Uanset hvad der udgør det indre af en kvantecomputer, dens hurtige beregninger koger alle sammen på sekvenser af enkle instruktioner, der anvendes på qubits - de grundlæggende informationsenheder inde i en kvantecomputer.

Om computeren er bygget af kæder af ioner, krydsninger mellem superledere, eller siliciumchips, det viser sig, at en håndfuld enkle operationer, som kun påvirker en eller to qubits ad gangen, kan blande og matche for at oprette ethvert kvantecomputerprogram - en funktion, der gør en bestemt håndfuld 'universel'. Forskere kalder disse simple operationer for kvanteporte, og de har brugt år på at optimere den måde, hvorpå porte passer sammen. De har skåret antallet af porte (og qubits), der kræves til en given beregning, og opdaget, hvordan man gør det hele, samtidig med at de sikrer, at fejl ikke sniger sig ind og forårsager en fejl.

Nu, forskere ved JQI har opdaget måder at implementere robuste, fejlresistente porte, der kun bruger et konstant antal simple byggeklodser – hvilket i det væsentlige opnår den bedst mulige reduktion i en parameter kaldet kredsløbsdybde. Deres fund, som gælder for kvantecomputere baseret på topologiske kvantefejlkorrigerende koder, blev rapporteret i to artikler, der for nylig blev offentliggjort i tidsskrifterne Fysisk gennemgangsbreve og Fysisk gennemgang B , og udvidet i et tredje papir, der blev offentliggjort tidligere i tidsskriftet Kvante.

Kredsløbsdybde tæller antallet af porte, der påvirker hver qubit, og en konstant dybde betyder, at antallet af porte, der er nødvendige for en given operation, ikke vil stige, efterhånden som computeren vokser - en nødvendighed, hvis fejl skal holdes på afstand. Dette er en lovende funktion for robuste og universelle kvantecomputere, siger Maissam Barkeshli, en JQI -stipendiat og lektor i fysik ved University of Maryland (UMD).

"Vi har opdaget, at en enorm klasse af operationer i topologiske tilstande af stof og topologiske fejlkorrigerende koder kan implementeres via enhedskredsløb med konstant dybde, "siger Barkeshli, som også er medlem af Condensed Matter Theory Center ved UMD.

I modsætning til andre former for kvantecomputere, kvantecomputere bygget oven på topologisk fejlkorrektion - som hidtil kun er blevet undersøgt teoretisk - gemmer ikke information i individuelle fysiske qubits. I stedet, de smører en enkelt qubits information ud blandt et netværk af mange qubits - eller, mere eksotisk, på tværs af særlige topologiske materialer.

Denne informationsudtværing giver modstandsdygtighed over for spredte stykker af lys eller små vibrationer - kvanteforstyrrelser, der kan forårsage fejl - og det gør det muligt at opdage små fejl og derefter aktivt korrigere under en beregning. Det er en af ​​de største fordele, som kvantecomputere baseret på topologisk fejlkorrektion tilbyder. Men fordelen har en pris:Hvis støj ikke nemt kan komme til informationen, det kan du heller ikke.

Indtil nu så det ud til, at driften af ​​sådan en kvantecomputer krævede små, sekventielle ændringer i netværket, der gemmer informationen - ofte afbildet som et gitter eller gitter i to dimensioner. I tide, disse små ændringer lægger sig sammen og flytter effektivt et område af gitteret i en løkke rundt om et andet område, forlader netværket det samme som da det startede.

Disse transformationer af netværket er kendt som fletninger, fordi de mønstre, de sporer ud i rum og tid, ligner flettet hår eller et flettet brød. Hvis du forestiller dig at stable snapshots af netværket op som pandekager, de vil danne - trin for trin - en abstrakt fletning. Afhængigt af den underliggende fysik i netværket - herunder partiklerne, kaldet nogen, der kan hoppe rundt på det - disse fletninger kan være nok til at køre et kvanteprogram.

I det nye værk, forfatterne viste, at fletning kan opnås næsten øjeblikkeligt. Væk er de sammenknyttede diagrammer, erstattet af in-situ omlægninger af netværket.

"Det var en slags lærebogsdogme, at disse fletninger kun kan udføres adiabatisk eller meget langsomt for at undgå at skabe fejl i processen, "siger Guanyu Zhu, en tidligere JQI postdoc-forsker, som i øjeblikket er forskningsmedarbejder ved IBM Thomas J. Watson Research Center. "Imidlertid, i dette arbejde, vi indså, at i stedet for langsomt at bevæge regioner med nogen omkring hinanden, vi kunne bare strække eller klemme mellemrummet mellem dem i et konstant antal trin. "

Den nye opskrift kræver to ingredienser. Den ene er evnen til at foretage lokale ændringer, der omkonfigurerer interaktionerne mellem de fysiske qubits, der udgør netværket. Denne del er ikke så forskellig fra hvad almindelig fletning kræver, men det antages at ske parallelt på tværs af regionen, der flettes. Den anden ingrediens er evnen til at udveksle oplysninger om fysiske qubits, der ikke er tæt på hinanden - potentielt selv i modsatte hjørner af fletteområdet.

Dette andet krav er en stor beder om noget quantum computing hardware, men forfatterne siger, at der er systemer, der naturligt kunne understøtte det.

"En række eksperimentelle platforme med langdistanceforbindelse kunne understøtte vores plan, inklusive ionfælder, kredsløb QED-systemer med lange transmissionslinjeresonatorer, modulære arkitekturer med superledende hulrum, og fotoniske siliciumudstyr, " siger Zhu. "Eller du kunne forestille dig at bruge platforme med bevægelige qubits. Man kan tænke på sådanne platforme som flydende kvantecomputere, hvor qubits frit kan flyde rundt via klassisk bevægelse."

I papiret i Fysisk gennemgangsbreve , forfatterne gav eksplicitte instruktioner til, hvordan man opnår deres øjeblikkelige fletninger i en bestemt klasse af topologiske kvantekoder. I Fysisk gennemgang B og Kvante papirer, de udvidede dette resultat til en mere generel indstilling og undersøgte endda, hvordan det ville gælde for en topologisk kode i det hyperbolske rum (hvor, derudover tilføjelse af en ny udtværet qubit kræver kun tilføjelse af et konstant antal fysiske qubits til netværket).

Forfatterne har endnu ikke fundet ud af, hvordan deres nye fletningsteknikker hænger sammen med de yderligere mål om at opdage og rette fejl; det forbliver et åbent problem for fremtidig forskning.

"Vi håber, at vores resultater i sidste ende kan være nyttige til at fastslå muligheden for fejltolerant kvanteberegning med konstant rum-tid overhead, " siger Barkeshli.