Fejludsatte kvantebits kunne rette sig selv, fysikere viser

En af de største forhindringer, som kvantecomputere står over for - at rette de fejl, der kryber ind i en processors beregninger - kunne overvindes med en ny tilgang fra fysikere fra National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland og California Institute of Technology, der måske har fundet en måde at designe kvantehukommelsesswitche, der ville korrigere sig selv.

Teamets teoripapir, som fremgår i dag i journalen Fysisk gennemgangsbreve , foreslår en lettere vej til at skabe stabile kvantebits, eller qubits, som normalt udsættes for miljøforstyrrelser og fejl. At finde metoder til at rette disse fejl er et stort problem inden for kvantecomputerudvikling, men forskergruppens tilgang til qubit -design kan sidestille problemet.

"Fejlrettelse komplicerer en allerede kompliceret situation. Det kræver normalt, at du indbygger yderligere qubits og foretager yderligere målinger for at finde fejlene, som alle typisk fører til store hardwareomkostninger, "sagde første forfatter Simon Lieu, der arbejder på Joint Quantum Institute (JQI) og Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS), begge samarbejder mellem NIST og University of Maryland. "Vores ordning er passiv og autonom. Det gør alt det ekstra arbejde automatisk."

Designere eksperimenterer med mange metoder til at bygge qubits. En lovende arkitektur kaldes en fotonisk hulrumsresonator. Inden for sit lille volumen, flere fotoner kan drives til at hoppe frem og tilbage mellem hulrummets reflekterende vægge. Fotonerne, manifesterer deres bølgelignende egenskaber i hulrummet, kombineres for at danne krusningslignende interferensmønstre. Selve mønstrene indeholder qubits oplysninger. Det er et sart arrangement, der som krusninger på en dams overflade, har en tendens til hurtigt at forsvinde.

Det er også let forstyrret. At arbejde, qubits har brug for fred og ro. Støj fra det omgivende miljø - såsom varme eller magnetfelter udsendt af andre komponenter i nærheden - kan forstyrre interferensmønsteret og ødelægge beregningen.

I stedet for at konstruere et udførligt system til at opdage, måle og kompensere for støj og fejl, teammedlemmerne opfattede, at hvis forsyningen af ​​fotoner i hulrummet konstant opdateres, kvbitens kvanteinformation kan modstå bestemte mængder og typer støj.

Fordi hulrummet kan rumme mange fotoner, en qubit involverer et betydeligt antal af dem, bygger i en vis redundans. I nogle qubit -designs, utætte fotoner til miljøet - en almindelig forekomst - betyder, at information går tabt. Men i stedet for at forsvare sig mod denne form for lækage, teamets tilgang inkorporerer det. Deres hulrums resterende fotoner ville opretholde interferensmønsteret længe nok til, at flere fotoner kunne komme ind og erstatte de manglende.

En konstant strøm af friske fotoner ville også betyde, at hvis nogle fotoner i hulrummet blev ødelagt af støj, de ville blive skyllet hurtigt nok ud, så skaden ikke ville være katastrofal. Interferensmønsteret kan vakle et øjeblik, som en dams krusninger ville, hvis en lille sten faldt ind med et forstyrrende stænk, men krusningernes pulserende kilder ville forblive konsekvente, hjælpe mønsteret - og dets kvanteinformation - til hurtigt at gøre sig gældende.

"Det er som at tilføje ferskvand, "Sagde Lieu." Hver gang oplysningerne bliver forurenet, det faktum, at du skubber vand ind og renser dine rør dynamisk, holder det modstandsdygtigt over for skader. Denne overordnede konfiguration er det, der holder sin steady state stærk. "

Fremgangsmåden ville ikke gøre qubits modstandsdygtige over for alle typer fejl, Sagde Lieu. Nogle forstyrrelser kan stadig betragtes som stænk for dramatiske til, at systemet kan håndtere det. Ud over, konceptet gælder primært de fotoniske hulrum, teamet overvejede, og ville ikke nødvendigvis være med til at styrke andre førende qubit -designs.

Den foreslåede metode tilføjer et arsenal af lovende kvantecomputerfejlkorrektionsteknikker, såsom "topologiske" qubits, hvilket også ville være selvkorrigerende, men kræver eksotiske materialer, der endnu ikke skal laves. Mens teamet forventer, at den nye tilgang vil være særlig nyttig til kvanteberegning baseret på mikrobølgefotoner i superledende arkitekturer, det kan også finde applikationer i computing baseret på optiske fotoner.

Teamets arbejde bygger på tidligere teoretiske og eksperimentelle bestræbelser på fotoniske qubits. Lieu sagde, at andre fysikere allerede har lagt det meste af det nødvendige grundlag for at teste holdets forslag eksperimentelt.

"Vi planlægger at kontakte eksperimentelle eksperter for at teste ideen, "sagde han." De skulle bare sætte et par eksisterende ingredienser sammen. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.