Grundlæggende trin viser, at kvantecomputere kan være bedre end summen af ​​deres dele

Pobody's nerfekt - ikke engang den ligegyldige, beregning af bits, der er grundlaget for computere. Men JQI Fellow Christopher Monroes gruppe, sammen med kolleger fra Duke University, har gjort fremskridt i retning af at sikre, at vi kan stole på resultaterne af kvantecomputere, selv når de er bygget af dele, der nogle gange fejler. De har vist i et eksperiment, for første gang, at en samling af kvanteberegningsstykker kan være bedre end de værste dele, der bruges til at lave den. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Natur den 4. okt. 2021, holdet delte, hvordan de tog dette skelsættende skridt mod pålidelig, praktiske kvantecomputere.

I deres eksperiment, forskerne kombinerede flere qubits – kvanteversionen af ​​bits – så de fungerede sammen som en enkelt enhed kaldet en logisk qubit. De skabte den logiske qubit baseret på en kvantefejlkorrektionskode, så i modsætning til de individuelle fysiske qubits, fejl kan let opdages og rettes, og de gjorde det til at være fejltolerant - i stand til at indeholde fejl for at minimere deres negative virkninger.

"Qubits sammensat af identiske atomære ioner er i sig selv meget rene, " siger Monroe, som også er Fellow i Joint Center for Quantum Information and Computer Science og en College Park Professor i Institut for Fysik ved University of Maryland. "Imidlertid, på et tidspunkt, når der kræves mange qubits og operationer, fejl skal reduceres yderligere, og det er lettere at tilføje flere qubits og kode information anderledes. Skønheden ved fejlkorrektionskoder for atomære ioner er, at de kan være meget effektive og kan tændes fleksibelt gennem softwarekontrol."

Dette er første gang, at en logisk qubit har vist sig at være mere pålidelig end det mest fejltilbøjelige trin, der kræves for at lave det. Holdet var i stand til at sætte den logiske qubit i sin starttilstand og måle den 99,4 % af tiden, på trods af at de er afhængige af seks kvanteoperationer, der individuelt forventes at virke kun omkring 98,9 % af tiden.

Det lyder måske ikke som den store forskel, men det er et afgørende skridt i søgen efter at bygge meget større kvantecomputere. Hvis de seks kvanteoperationer var samlebåndsarbejdere, hver fokuseret på en opgave, samlebåndet ville kun producere den korrekte begyndelsestilstand 93,6 % af tiden (98,9 % ganget med sig selv seks gange) - cirka ti gange værre end fejlen målt i eksperimentet. Denne forbedring skyldes, at de ufuldkomne stykker i eksperimentet arbejder sammen for at minimere chancen for, at kvantefejl forstærker og ødelægger resultatet, svarende til, at opmærksomme arbejdere fanger hinandens fejl.

Resultaterne blev opnået ved hjælp af Monroes ion-fælde-system ved UMD, som bruger op til 32 individuelle ladede atomer - ioner - der afkøles med lasere og suspenderes over elektroder på en chip. De bruger derefter hver ion som en qubit ved at manipulere den med lasere.

"Vi har 32 laserstråler, " siger Monroe. "Og atomerne er som ænder i en række; hver med sin egen fuldt kontrollerbare laserstråle. Jeg tænker på det, som om atomerne danner en lineær streng, og vi plukker den som en guitarstreng. Vi plukker det med lasere, som vi tænder og slukker på en programmerbar måde. Og det er computeren; det er vores centrale behandlingsenhed."

Ved at skabe en fejltolerant logisk qubit med dette system, forskerne har vist, at forsigtig, kreative designs har potentialet til at frigøre kvanteberegninger fra begrænsningen af ​​de uundgåelige fejl i den nuværende state of the art. Fejltolerante logiske qubits er en måde at omgå fejlene i moderne qubits og kunne være grundlaget for kvantecomputere, der både er pålidelige og store nok til praktisk brug.

Afhjælpning af fejl og tolerering af fejl

Det er vigtigt at udvikle fejltolerante qubits, der er i stand til fejlkorrektion, fordi Murphys lov er ubarmhjertig:Uanset hvor godt du bygger en maskine, noget går til sidst galt. I en computer, enhver bit eller qubit har en chance for lejlighedsvis at fejle sit job. Og de mange qubits, der er involveret i en praktisk kvantecomputer, betyder, at der er mange muligheder for, at fejl kan snige sig ind.

Heldigvis, ingeniører kan designe en computer, så dens dele arbejder sammen for at fange fejl – som at holde vigtige oplysninger sikkerhedskopieret til en ekstra harddisk eller få en anden person til at læse din vigtige e-mail for at fange stavefejl, før du sender den. Både folket eller drifterne er nødt til at rode for en fejltagelse for at overleve. Selvom det kræver mere arbejde at afslutte opgaven, redundansen er med til at sikre den endelige kvalitet.

Nogle udbredte teknologier, som mobiltelefoner og højhastighedsmodemmer, bruger i øjeblikket fejlkorrektion for at sikre kvaliteten af ​​transmissioner og undgå andre gener. Fejlrettelse ved hjælp af simpel redundans kan mindske chancen for en uopfanget fejl, så længe din procedure ikke er forkert oftere, end den er rigtig – f.eks. at sende eller gemme data i tre eksemplarer og stole på flertalsafstemningen kan falde chancen for en fejl fra én ud af hundrede til mindre end én ud af tusind.

Så selvom perfektion måske aldrig er inden for rækkevidde, fejlrettelse kan gøre en computers ydeevne så god som påkrævet, så længe du har råd til prisen for at bruge ekstra ressourcer. Forskere planlægger at bruge kvantefejlkorrektion til på samme måde at supplere deres bestræbelser på at lave bedre qubits og give dem mulighed for at bygge kvantecomputere uden at skulle erobre alle de fejl, som kvanteenheder lider af.

"Hvad er fantastisk ved fejltolerance, er det en opskrift på, hvordan man tager små upålidelige dele og gør dem til en meget pålidelig enhed, " siger Kenneth Brown, en professor i elektro- og computerteknik ved Duke og en medforfatter på papiret. "Og fejltolerant kvantefejlkorrektion vil gøre os i stand til at lave meget pålidelige kvantecomputere fra defekte kvantedele."

Men kvantefejlkorrektion har unikke udfordringer - qubits er mere komplekse end traditionelle bits og kan gå galt på flere måder. Du kan ikke bare kopiere en qubit, eller endda bare tjekke dens værdi midt i en beregning. Hele grunden til, at qubits er fordelagtige, er, at de kan eksistere i en kvantesuperposition af flere tilstande og kan blive kvantemekanisk sammenfiltret med hinanden. For at kopiere en qubit skal du vide præcis, hvilken information den lagrer i øjeblikket - i fysiske termer skal du måle den. Og en måling sætter den i en enkelt veldefineret kvantetilstand, ødelægge enhver superposition eller sammenfiltring, som kvanteberegningen er bygget på.

Så for kvantefejlkorrektion, du skal rette fejl i bits, som du ikke må kopiere eller endda se for nøje på. Det er som at læse korrektur med bind for øjnene. I midten af ​​1990'erne, forskere begyndte at foreslå måder at gøre dette på ved hjælp af kvantemekanikkens finesser, men kvantecomputere er lige ved at nå det punkt, hvor de kan sætte teorierne på prøve.

Nøgleideen er at lave en logisk qubit ud af overflødige fysiske qubits på en måde, der kan kontrollere, om qubits er enige om visse kvantemekaniske fakta uden nogensinde at kende tilstanden af ​​nogen af ​​dem individuelt.

Kan ikke forbedre atomet

Der er mange foreslåede kvantefejlkorrektionskoder at vælge imellem, og nogle passer mere naturligt til en bestemt tilgang til at skabe en kvantecomputer. Hver måde at lave en kvantecomputer på har sine egne fejltyper såvel som unikke styrker. Så at bygge en praktisk kvantecomputer kræver forståelse og arbejde med de særlige fejl og fordele, som din tilgang bringer til bordet.

Den ionfælde-baserede kvantecomputer, som Monroe og kolleger arbejder med, har den fordel, at deres individuelle qubits er identiske og meget stabile. Da qubits er elektrisk ladede ioner, hver qubit kan kommunikere med alle de andre i linjen gennem elektriske nudges, giver frihed i forhold til systemer, der har brug for en solid forbindelse til umiddelbare naboer.

"De er atomer af et bestemt element og isotop, så de er perfekt replikerbare, " siger Monroe. "Og når du gemmer sammenhæng i qubits og du lader dem være i fred, det eksisterer i det væsentlige for evigt. Så qubit'en, når den efterlades alene, er perfekt. For at gøre brug af den qubit, vi skal stikke i den med lasere, vi skal gøre ting ved det, vi skal holde fast i atomet med elektroder i et vakuumkammer, alle de tekniske ting har støj på sig, og de kan påvirke qubit."

For Monroes system, den største kilde til fejl er sammenfiltringsoperationer - skabelsen af ​​kvanteforbindelser mellem to qubits med laserimpulser. Entangling operationer er nødvendige dele af driften af ​​en kvantecomputer og af at kombinere qubits til logiske qubits. Så selvom holdet ikke kan håbe på at få deres logiske qubits til at lagre information mere stabilt end de individuelle ion-qubits, korrigering af de fejl, der opstår, når qubits sammenfiltres, er en vigtig forbedring.

Forskerne valgte Bacon-Shor-koden som et godt match til fordelene og svaghederne ved deres system. Til dette projekt, de havde kun brug for 15 af de 32 ioner, som deres system kan understøtte, og to af ionerne blev ikke brugt som qubits, men var kun nødvendige for at få en jævn afstand mellem de andre ioner. For koden, de brugte ni qubits til redundant at kode en enkelt logisk qubit og fire yderligere qubits til at udvælge steder, hvor potentielle fejl opstod. Med den information, de detekterede defekte qubits kan, i teorien, korrigeres uden at "kvante-heden" af qubits kompromitteres ved at måle tilstanden af ​​en individuel qubit.

"Nøgledelen af ​​kvantefejlkorrektion er redundans, Derfor havde vi brug for ni qubits for at få en logisk qubit, " siger JQI kandidatstuderende Laird Egan, hvem er den første forfatter til papiret. "Men den redundans hjælper os med at lede efter fejl og rette dem, fordi en fejl på en enkelt qubit kan beskyttes af de andre otte."

Holdet brugte med succes Bacon-Shor-koden med ion-fældesystemet. Den resulterende logiske qubit krævede seks sammenfiltringsoperationer - hver med en forventet fejlrate mellem 0,7 % og 1,5 %. Men takket være det omhyggelige design af koden, disse fejl kombineres ikke til en endnu højere fejlrate, når sammenfiltringsoperationerne blev brugt til at forberede den logiske qubit i dens oprindelige tilstand.

Holdet observerede kun en fejl i qubit'ens forberedelse og måling 0,6 % af tiden - mindre end den laveste fejl, der forventes for nogen af ​​de individuelle sammenfiltringsoperationer. Holdet var derefter i stand til at flytte den logiske qubit til en anden tilstand med en fejl på kun 0,3 %. Holdet introducerede også bevidst fejl og demonstrerede, at de kunne opdage dem.

"Dette er virkelig en demonstration af kvantefejlkorrektion, der forbedrer ydeevnen af ​​de underliggende komponenter for første gang, " siger Egan. "Og der er ingen grund til, at andre platforme ikke kan gøre det samme, når de skalerer op. Det er virkelig et proof of concept, at kvantefejlkorrektion virker."

Mens teamet fortsætter dette arbejde, de siger, at de håber at opnå lignende succes med at bygge endnu mere udfordrende kvantelogiske porte ud af deres qubits, udfører komplette cyklusser med fejlkorrektion, hvor de opdagede fejl aktivt korrigeres, og vikle flere logiske qubits sammen.

"Indtil dette blad, alle har været fokuseret på at lave en logisk qubit, " siger Egan. "Og nu hvor vi har lavet en, vi er ligesom, 'Enkelte logiske qubits virker, så hvad kan du gøre med to?'"

Ud over Monroe, Brown og Egan, de andre medforfattere af papiret er følgende:JQI-forsker Marko Cetina; JQI kandidatstuderende Andrew Risinger, Daiwei Zhu og Debopriyo Biswas; Duke University fysik kandidatstuderende Dripto M. Debroy; Duke University postdoc-forskere Crystal Noel og Michael Newman; og Georgia Institute of Technology kandidatstuderende Muyuan Li.