Glimt af kvanteberegningsfaseændringer viser forskerne vendepunktet

Forskere ved Duke University og University of Maryland har brugt frekvensen af ​​målinger på en kvantecomputer til at få et indblik i kvantefænomenerne med faseændringer - noget analogt med vand, der bliver til damp.

Ved at måle antallet af operationer, der kan implementeres på et kvantecomputersystem uden at udløse sammenbruddet af dets kvantetilstand, fik forskerne indsigt i, hvordan andre systemer – både naturlige og beregningsmæssige – møder deres vendepunkter mellem faser. Resultaterne giver også vejledning til dataloger, der arbejder på at implementere kvantefejlkorrektion, som i sidste ende vil gøre det muligt for kvantecomputere at opnå deres fulde potentiale.

Resultaterne blev vist online den 3. juni i tidsskriftet Nature Physics .

Når vandet opvarmes til kog, udvikler molekylernes bevægelse sig, efterhånden som temperaturen ændres, indtil den når et kritisk punkt, når den begynder at blive til damp. På lignende måde kan et kvanteberegningssystem i stigende grad manipuleres i diskrete tidstrin, indtil dets kvantetilstand kollapser til en enkelt løsning.

"Der er dybe forbindelser mellem faser af stof og kvanteteori, hvilket er det, der er så fascinerende ved det," sagde Crystal Noel, assisterende professor i elektro- og computerteknik og fysik ved Duke. "Kvantecomputersystemet opfører sig på samme måde som kvantesystemer, der findes i naturen - som væske, der skifter til damp - selvom det er digitalt."

Kraften ved kvantecomputere ligger i deres qubits evne til at være en kombination af både en 1 og 0 på samme tid, med en eksponentiel vækst af systemkompleksitet, efterhånden som flere qubits tilføjes. Dette giver dem mulighed for at tackle et problem med massiv parallelitet, som at prøve at passe et puslespils brikker sammen på én gang i stedet for én ad gangen. Qubit'erne skal dog være i stand til at bevare deres kvantebeslutsomhed, indtil en løsning er nået.

En af de mange udfordringer, dette giver, er fejlretning. Nogle af qubits vil uundgåeligt miste et stykke information, og systemet skal være i stand til at opdage og rette disse fejl. Men fordi kvantesystemer mister deres "kvantestyrke", når de måles, er det en vanskelig opgave at holde øje med fejl. Selv med ekstra qubits, der holder øje med tingene, jo mere en kvantealgoritme undersøges for fejl, jo større er sandsynligheden for, at den fejler.

"Som vandmolekyler på randen af ​​at blive til damp, er der en tærskel for målinger, som en kvantecomputer kan modstå, før den mister sin kvanteinformation," sagde Noel. "Og det antal målinger er en analogi til, hvor mange fejl computeren kan modstå og stadig fungerer korrekt."

I det nye papir undersøger Noel og hendes kolleger denne overgangstærskel og systemets tilstand på begge sider.

I tæt samarbejde med Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Engineering and Physics ved Duke, Marko Cetina, assisterende professor i fysik ved Duke, og Michael Gullans og Alexey Gorshkov ved University of Maryland og National Institute of Standards and Technology, gruppe co-designet software til at køre tilfældige kvantekredsløb skræddersyet til deres kvantesystems evner. Eksperimentet blev kørt på en af ​​Duke Quantum Centers ionfælde kvantecomputere - et af de mest kraftfulde kvantecomputersystemer i verden.

"Antallet af qubits i systemet, pålideligheden af ​​dets operationer og niveauet af systemautomatisering kombineret på samme tid er unikt for dette kvantecomputersystem," sagde Noel. "Andre systemer har været i stand til at opnå hver enkelt individuelt, men aldrig alle tre på samme tid i et akademisk system. Det var det, der tillod os at køre disse eksperimenter."

Ved at tage et gennemsnit over mange tilfældige kredsløb var holdet i stand til at se, hvordan frekvensen af ​​måling påvirkede qubits. Som forudsagt dukkede et kritisk punkt op, hvor systemet uundgåeligt mistede sin sammenhæng og kvanteinformation, og ved at se på, hvordan systemet opførte sig på begge sider af denne faseovergang, vil forskere være i stand til at opbygge bedre tilgange til fejlkorrektionskoder i fremtid.

Dataene giver også et unikt indblik i, hvordan andre faseændringer opstår i naturen, som forskere aldrig har kunnet se før.

"Denne demonstration er et perfekt eksempel på, hvad vi gør unikt i Duke Quantum Center," sagde Monroe. "Mens vores kvantecomputere er lavet af atomer, der er under udsøgt kontrol med elektromagnetiske fælder, lasere og optik, kan vi implementere disse systemer til at gøre noget helt andet, i dette tilfælde undersøge den underliggende kvantenatur af faseovergange. Den samme kvantecomputer kan også anvendes til at løse irriterende modeller inden for områder lige fra kemiske reaktioner, DNA-sekventering og astrofysik. Dette kræver ekspertise ikke kun inden for atomfysik, men inden for systemteknik, datalogi og uanset hvilket felt, der definerer den applikation, der skal køres." + Udforsk yderligere

Fejlfri kvanteberegning bliver ægte