Korrelerede fejl i kvantecomputere understreger behovet for designændringer

Kvantecomputere kunne overgå klassiske computere til mange opgaver, men kun hvis de fejl, der er en uundgåelig del af beregningsopgaver, er isolerede snarere end udbredte begivenheder. Nu, forskere ved University of Wisconsin-Madison har fundet beviser for, at fejl er korreleret på tværs af en hel superledende kvantecomputer-chip-fremhæver et problem, der skal anerkendes og behandles i jagten på fejltolerante kvantecomputere.

Forskerne rapporterer deres resultater i en undersøgelse, der blev offentliggjort 16. juni i tidsskriftet Natur , Vigtigere, deres arbejde peger også på afbødningsstrategier.

"Jeg tror, ​​at folk har nærmet sig problemet med fejlkorrektion på en alt for optimistisk måde, blindt antage, at fejl ikke er korrelerede, "siger UW-Madison fysikprofessor Robert McDermott, seniorforfatter af undersøgelsen. "Vores eksperimenter viser absolut, at fejl er korreleret, men da vi identificerer problemer og udvikler en dyb fysisk forståelse, vi vil finde måder at omgå dem på. "

Bitene i en klassisk computer kan enten være en 1 eller en 0, men qubits i en kvantecomputer kan være 1, 0, eller en vilkårlig blanding - en superposition - af 1 og 0. Klassiske bits, derefter, kan kun lave bit flip fejl, f.eks. når a 1 vender til 0. Qubits, imidlertid, kan lave to typer fejl:bitflip eller faseflip, hvor en kvantesuperpositionstilstand ændres.

For at rette fejl, computere skal overvåge dem, når de sker. Men kvantefysikkens love siger, at kun en fejltype kan overvåges ad gangen i en enkelt qubit, så der er blevet foreslået en smart fejlkorrektionsprotokol kaldet overfladekoden. Overfladekoden involverer en lang række tilsluttede qubits - nogle udfører beregningsarbejdet, mens andre overvåges for at udlede fejl i de beregningsmæssige qubits. Imidlertid, overfladekodeprotokollen fungerer kun pålideligt, hvis hændelser, der forårsager fejl, isoleres, påvirker højst et par qubits.

I tidligere forsøg, McDermotts gruppe havde set antydninger om, at noget fik flere qubits til at vende på samme tid. I denne nye undersøgelse, de spurgte direkte:er disse flips uafhængige, eller er de korrelerede?

Forskergruppen designede en chip med fire qubits lavet af de superledende elementer niob og aluminium. Forskerne afkøler chippen til næsten absolut nul, som gør den superledende og beskytter den mod fejlfremkaldende interferens fra det ydre miljø.

For at vurdere, om qubit -flips var korreleret, forskerne målte udsving i offsetladning for alle fire qubits. Den svingende offsetladning er faktisk en ændring i det elektriske felt ved qubit.

Holdet observerede lange perioder med relativ stabilitet efterfulgt af pludselige spring i offsetladning. Jo tættere to qubits var sammen, jo mere sandsynligt var det, at de hoppede på samme tid. Disse pludselige ændringer var sandsynligvis forårsaget af kosmiske stråler eller baggrundsstråling i laboratoriet, som begge frigiver ladede partikler. Når en af ​​disse partikler rammer chippen, det frigør gebyrer, der påvirker qubits i nærheden.

Denne lokale effekt kan let dæmpes med enkle designændringer. Den større bekymring er, hvad der derefter kan ske.

"Hvis vores model om partikelpåvirkninger er korrekt, så ville vi forvente, at det meste af energien omdannes til vibrationer i chippen, der formerer sig over lange afstande, "siger Chris Wilen, en kandidatstuderende og hovedforfatter af undersøgelsen. "Når energien breder sig, forstyrrelsen ville føre til qubit -flips, der er korreleret over hele chippen. "

I deres næste sæt eksperimenter, den effekt er præcis, hvad de så. De målte ladningsspring i en qubit, som i de tidligere forsøg, brugte derefter timingen af ​​disse spring til at justere målinger af kvantetilstande for to andre qubits. Disse to qubits skal altid være i beregningsmæssig 1 -tilstand. Alligevel fandt forskerne ud af, at når som helst de så et ladningspring i den første qubit, de to andre - uanset hvor langt væk på chippen - hurtigt vendte fra beregningstilstand 1 til 0 -tilstand.

"Det er en langtrækkende effekt, og det er virkelig skadeligt, "Wilen siger." Det ødelægger de kvanteoplysninger, der er gemt i qubits. "

Selvom dette arbejde kunne ses som et tilbageslag i udviklingen af ​​superledende kvantecomputere, forskerne mener, at deres resultater vil guide ny forskning mod dette problem. Grupper på UW-Madison arbejder allerede på afbødningsstrategier.

"Når vi kommer tættere på det endelige mål med en fejltolerant kvantecomputer, vi vil identificere det ene nye problem efter det andet, "McDermott siger." Dette er bare en del af processen med at lære mere om systemet, giver en vej til implementering af mere modstandsdygtige designs. "