Hvorfor sletning kunne være nøglen til praktisk kvanteberegning

Forskere har opdaget en ny metode til at korrigere fejl i beregningerne af kvantecomputere, hvilket potentielt kan fjerne en stor hindring for en kraftfuld ny computerverden.

I konventionelle computere er reparation af fejl et veludviklet felt. Hver mobiltelefon kræver kontrol og rettelser for at sende og modtage data over rodet æteren. Kvantecomputere tilbyder et enormt potentiale til at løse visse komplekse problemer, som er umulige for konventionelle computere, men denne kraft afhænger af at udnytte ekstremt flygtig adfærd fra subatomære partikler. Denne computeradfærd er så flygtig, at selv at kigge ind på dem for at tjekke for fejl, kan få hele systemet til at kollapse.

I et papir, der skitserer en ny teori for fejlkorrektion, offentliggjort 9. august i Nature Communications , et tværfagligt team ledet af Jeff Thompson, en lektor i elektro- og computerteknik ved Princeton, og samarbejdspartnere Yue Wu og Shruti Puri ved Yale University og Shimon Kolkowitz ved University of Wisconsin-Madison, viste, at de dramatisk kunne forbedre en kvantecomputers tolerance for fejl, og reducere mængden af ​​redundant information, der er nødvendig for at isolere og rette fejl. Den nye teknik firedobler den acceptable fejlrate, fra 1 % til 4 %, hvilket er praktisk for kvantecomputere, der i øjeblikket er under udvikling.

"Den grundlæggende udfordring for kvantecomputere er, at de operationer, du vil udføre, er støjende," sagde Thompson, hvilket betyder, at beregninger er tilbøjelige til at ude af stand til at fejle utallige.

I en konventionel computer kan en fejl være så simpel som at en smule hukommelse ved et uheld skifter fra et 1 til et 0, eller så rodet som en trådløs router, der forstyrrer en anden. En almindelig tilgang til håndtering af sådanne fejl er at indbygge en vis redundans, så hvert stykke data sammenlignes med duplikerede kopier. Men den tilgang øger mængden af ​​nødvendige data og skaber flere muligheder for fejl. Derfor virker det kun, når langt de fleste oplysninger allerede er korrekte. Ellers fører kontrol af forkerte data i forhold til forkerte data dybere ned i et hul af fejl.

"Hvis din baseline fejlrate er for høj, er redundans en dårlig strategi," sagde Thompson. "At komme under denne tærskel er den største udfordring."

I stedet for udelukkende at fokusere på at reducere antallet af fejl, gjorde Thompsons team i det væsentlige fejl mere synlige. Holdet dykkede dybt ned i de faktiske fysiske årsager til fejl og konstruerede deres system, så den mest almindelige fejlkilde effektivt eliminerer, snarere end blot at ødelægge, de beskadigede data. Thompson sagde, at denne adfærd repræsenterer en særlig form for fejl kendt som en "sletningsfejl", som grundlæggende er nemmere at luge ud end data, der er beskadiget, men som stadig ligner alle de andre data.

I en konventionel computer, hvis en pakke med angiveligt overflødig information kommer på tværs som 11001, kan det være risikabelt at antage, at de lidt mere udbredte 1'ere er korrekte, og 0'erne er forkerte. Men hvis oplysningerne fremstår som 11XX1, hvor de korrupte bits er tydelige, er sagen mere overbevisende.

"Disse slettefejl er meget nemmere at rette, fordi du ved, hvor de er," sagde Thompson. "De kan udelukkes fra flertalsafstemningen. Det er en kæmpe fordel."

Sletningsfejl er velkendte i konventionel databehandling, men forskere havde ikke tidligere overvejet at forsøge at konstruere kvantecomputere til at konvertere fejl til sletninger, sagde Thompson.

Som en praktisk sag kunne deres foreslåede system modstå en fejlrate på 4,1%, hvilket Thompson sagde er godt inden for mulighederne for nuværende kvantecomputere. I tidligere systemer kunne den avancerede fejlkorrektion håndtere mindre end 1 % fejl, som Thompson sagde er på kanten af ​​kapaciteten af ​​ethvert nuværende kvantesystem med et stort antal qubits.

Holdets evne til at generere slettefejl viste sig at være en uventet fordel ved et valg Thompson traf for år siden. Hans forskning udforsker "neutrale atom-qubits", hvor kvanteinformation (en "qubit") er lagret i et enkelt atom. De var pionerer i brugen af ​​grundstoffet ytterbium til dette formål. Thompson sagde, at gruppen valgte ytterbium delvist fordi det har to elektroner i sit yderste lag af elektroner sammenlignet med de fleste andre neutrale atom-qubits, som kun har én.

"Jeg tænker på det som en schweizisk hærkniv, og denne ytterbium er den større, federe schweiziske hærkniv," sagde Thompson. "Den ekstra lille smule kompleksitet, du får ved at have to elektroner, giver dig en masse unikke værktøjer."

En brug af disse ekstra værktøjer viste sig at være nyttig til at eliminere fejl. Holdet foreslog at pumpe elektronerne i ytterbium og fra deres stabile "grundtilstand" til exciterede tilstande kaldet "metastabile tilstande", som kan være langlivede under de rigtige forhold, men som i sagens natur er skrøbelige. Kontraintuitivt foreslår forskerne at bruge disse tilstande til at kode kvanteinformationen.

"Det er som om elektronerne er på stram snor," sagde Thompson. Og systemet er konstrueret således, at de samme faktorer, der forårsager fejl, også får elektronerne til at falde af snoren.

Som en bonus, når de falder til grundtilstanden, spreder elektronerne lys på en meget synlig måde, så det at skinne et lys på en samling ytterbium-qubits får kun de defekte til at lyse op. De, der lyser, skal afskrives som fejl.

Dette fremskridt krævede en kombination af indsigt i både kvantecomputerhardware og teorien om kvantefejlkorrektion, hvilket udnyttede forskerholdets tværfaglige karakter og deres tætte samarbejde. Selvom mekanikken i denne opsætning er specifik for Thompsons ytterbium-atomer, sagde han, at ideen om at konstruere kvante-qubits til at generere slettefejl kunne være et nyttigt mål i andre systemer - som der er mange af i udvikling over hele verden - og er noget, som gruppen arbejder videre på.

"Vi ser dette projekt som en form for arkitektur, der kan anvendes på mange forskellige måder," sagde Thompson og tilføjede, at andre grupper allerede er begyndt at udvikle deres systemer til at konvertere fejl til sletninger. "Vi ser allerede en masse interessant i at finde tilpasninger til dette arbejde."

Som et næste skridt arbejder Thompsons gruppe nu på at demonstrere konverteringen af ​​fejl til sletninger i en lille fungerende kvantecomputer, der kombinerer adskillige snese af qubits.

Artiklen, "Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays," blev offentliggjort den 9. august i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Tilføjelse af logiske qubits til Sycamore kvantecomputer reducerer fejlfrekvensen