Ny forskning tackler en central udfordring ved kraftfuld kvanteberegning

At bygge en universel kvantecomputer ud fra skrøbelige kvantekomponenter, effektiv implementering af kvantefejlkorrektion (QEC) er et vigtigt krav og en central udfordring. QEC bruges i kvanteberegning, som har potentiale til at løse videnskabelige problemer uden for supercomputers omfang, for at beskytte kvanteinformation mod fejl på grund af forskellig støj.

Udgivet af tidsskriftet Natur , forskning medforfatter af University of Massachusetts Amherst fysiker Chen Wang, kandidatstuderende Jeffrey Gertler og Shruti Shirol, og postdoktorforsker Juliang Li tager et skridt mod at opbygge en fejltolerant kvantecomputer. De har indset en ny type QEC, hvor kvantefejlene spontant korrigeres.

Dagens computere er bygget med transistorer, der repræsenterer klassiske bits (0'er eller 1'er). Quantum computing er et spændende nyt paradigme for beregning ved hjælp af quantum bits (qubits), hvor kvante -superposition kan udnyttes til eksponentielle gevinster i processorkraft. Fejltolerant kvantecomputing kan i høj grad fremme opdagelse af nye materialer, kunstig intelligens, biokemisk teknik og mange andre discipliner.

Da qubits i sagens natur er skrøbelige, den mest fremragende udfordring ved at bygge sådanne kraftfulde kvantecomputere er effektiv implementering af kvantefejlkorrektion. Eksisterende demonstrationer af QEC er aktive, hvilket betyder, at de regelmæssigt skal kontrollere for fejl og straks rette dem, hvilket er meget krævende inden for hardwarressourcer og dermed hindrer skalering af kvantecomputere.

I modsætning, forskernes eksperiment opnår passiv QEC ved at skræddersy friktionen (eller spredningen), som qubit oplever. Fordi friktion almindeligvis betragtes som nemesis for kvantesammenhæng, dette resultat kan virke ganske overraskende. Tricket er, at spredningen skal designes specifikt på en kvantemåde. Denne generelle strategi har været kendt i teorien i omkring to årtier, men en praktisk måde at opnå sådan spredning og tage den i brug til QEC har været en udfordring.

"Selvom vores eksperiment stadig er en ret rudimentær demonstration, vi har endelig opfyldt denne kontraintuitive teoretiske mulighed for dissipativ QEC, "siger Chen." Ser frem, implikationen er, at der kan være flere muligheder for at beskytte vores qubits mod fejl og gøre det billigere. Derfor, dette eksperiment øger udsigten til potentielt at opbygge en nyttig fejltolerant kvantecomputer på mellemlangt og langt sigt. "

Chen beskriver med lægmandsbetegnelser, hvor mærkelig kvanteverdenen kan være. "Som i den tyske fysiker Erwin Schrödingers berømte (eller berygtede) eksempel, en kat pakket i en lukket æske kan være død eller levende på samme tid. Hver logisk qubit i vores kvanteprocessor ligner meget en mini-Schrödingers kat. Faktisk, vi kalder det bogstaveligt talt en 'cat qubit'. At have masser af sådanne katte kan hjælpe os med at løse nogle af verdens vanskeligste problemer.

"Desværre, det er meget vanskeligt at holde en kat på den måde, da enhver gas, lys, eller noget, der lækker ind i kassen, ødelægger magien:Katten bliver enten død eller bare en almindelig levende kat, "forklarer Chen." Den mest ligefremme strategi for at beskytte en Schrodingers kat er at gøre kassen så stram som muligt, men det gør det også sværere at bruge det til beregning. Det, vi lige demonstrerede, lignede at male indersiden af ​​kassen på en særlig måde, og det hjælper på en eller anden måde katten bedre med at overleve omverdenens uundgåelige skade. "