Fejlfri kvanteberegning bliver virkelig

I moderne computere er fejl under behandling og opbevaring af information blevet en sjældenhed på grund af fabrikation af høj kvalitet. For kritiske applikationer, hvor selv enkeltfejl kan have alvorlige konsekvenser, anvendes der stadig fejlkorrektionsmekanismer baseret på redundans af de behandlede data.

Kvantecomputere er i sagens natur meget mere modtagelige for forstyrrelser og vil derfor formentlig altid kræve fejlkorrektionsmekanismer, fordi fejl ellers vil forplante sig ukontrolleret i systemet, og information vil gå tabt. Fordi kvantemekanikkens grundlæggende love forbyder kopiering af kvanteinformation, kan redundans opnås ved at distribuere logisk kvanteinformation i en sammenfiltret tilstand af flere fysiske systemer, for eksempel flere individuelle atomer.

Holdet ledet af Thomas Monz fra Institut for Eksperimentel Fysik ved Universitetet i Innsbruck og Markus Müller fra RWTH Aachen University og Forschungszentrum Jülich i Tyskland er nu for første gang lykkedes med at realisere et sæt beregningsoperationer på to logiske kvantebit, der kan bruges til at implementere enhver mulig operation. "For en kvantecomputer i den virkelige verden har vi brug for et universelt sæt porte, som vi kan programmere alle algoritmer med," forklarer Lukas Postler, en eksperimentel fysiker fra Innsbruck.

Fundamental kvanteoperation realiseret

Holdet af forskere implementerede dette universelle portsæt på en ionfælde-kvantecomputer med 16 fangede atomer. Kvanteinformationen blev lagret i to logiske kvantebits, hver fordelt over syv atomer.

Nu har det for første gang været muligt at implementere to beregnings-gates på disse fejltolerante kvantebits, som er nødvendige for et universelt sæt af gates:en beregningsoperation på to kvantebits (en CNOT-gate) og en logisk T gate, som er særlig vanskelig at implementere på fejltolerante kvantebits.

"T-porte er meget fundamentale operationer," forklarer teoretisk fysiker Markus Müller. "De er særligt interessante, fordi kvantealgoritmer uden T-gates relativt let kan simuleres på klassiske computere, hvilket negerer enhver mulig hastighed. Dette er ikke længere muligt for algoritmer med T-gates." Fysikerne demonstrerede T-porten ved at forberede en speciel tilstand i en logisk kvantebit og teleportere den til en anden kvantebit via en entangled gate-operation.

Complexity increases, but accuracy also

In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone.

The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.

"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.

The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.

Forskningen blev offentliggjort i Nature . + Udforsk yderligere

Error-protected quantum bits entangled for the first time