Nyt system øger effektiviteten af ​​kvantefejlkorrektion

De skrøbelige qubits, der udgør kvantecomputere, tilbyder et kraftfuldt beregningsværktøj, men præsenterer også en gåde:Hvordan kan ingeniører skabe praktiske, brugbare kvantesystemer ud af bits, der så let forstyrres - og slettes af data - af små ændringer i deres miljø?

Ingeniører har længe kæmpet med, hvordan man gør kvantecomputere mindre fejltilbøjelige, ofte ved at udvikle måder til at opdage og rette fejl i stedet for at forhindre dem i første omgang. Men mange sådanne fejlkorrektionsskemaer involverer duplikering af information på tværs af hundreder eller tusinder af fysiske qubits på én gang, hvilket hurtigt bliver svært at skalere op på en effektiv måde.

Nu har et team af forskere ledet af forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME) ved University of Chicago udviklet planen for en kvantecomputer, der mere effektivt kan rette fejl. Systemet bruger en ny ramme, baseret på qLDPC-koder (quantum low-density parity-check) – som kan detektere fejl ved at se på forholdet mellem bits – samt en ny hardware, der involverer rekonfigurerbare atomarrays, som gør det muligt for qubits at kommunikere med flere naboer og lader derfor qLDPC-dataene kodes i færre qubits.

"Med denne foreslåede plan har vi reduceret de overhead, der kræves til kvantefejlkorrektion, hvilket åbner nye veje til at opskalere kvantecomputere," sagde Liang Jiang, professor i molekylær ingeniørvidenskab og seniorforfatter til det nye værk, offentliggjort i Naturfysik .

Iboende støj

Mens standardcomputere er afhængige af digitale bits - i en tændt eller slukket position - for at kode data, kan qubits eksistere i superpositionstilstande, hvilket giver dem mulighed for at tackle nye beregningsproblemer. Men qubits unikke egenskaber gør dem også utrolig følsomme over for deres miljø; de ændrer tilstande baseret på den omgivende temperatur og elektromagnetisme.

"Kvantesystemer er i sig selv støjende. Der er virkelig ingen måde at bygge en kvantemaskine, der ikke vil have fejl," sagde Qian Xu, en PME-studerende, der ledede det nye arbejde. "Du skal have en måde at udføre aktiv fejlkorrektion på, hvis du vil skalere dit kvantesystem op og gøre det nyttigt til praktiske opgaver."

I de sidste par årtier har forskere for det meste vendt sig til én type fejlkorrektion, kaldet overfladekoder, for kvantesystemer. I disse systemer koder du samtidig den samme logiske information til mange fysiske bits, arrangeret i et stort todimensionelt gitter. Fejl kan udledes ved at sammenligne qubits med deres direkte naboer. Et mismatch tyder på, at en qubit er udløst.

"Problemet med dette er, at du har brug for en enorm ressource overhead," sagde Xu. "I nogle af disse systemer har du brug for tusind fysiske qubits for hver logisk qubit, så i det lange løb tror vi ikke, vi kan skalere dette op til meget store computere."

Sænker redundans

I deres nye system sigtede Jiang, Xu og kolleger ved Harvard University, Caltech, University of Arizona og QuEra Computing mod i stedet at bruge qLDPC-koder til at rette fejl. Denne type fejlkorrektion var længe blevet overvejet, men ikke implementeret i en realistisk plan.

Med qLDPC-koder sammenlignes dataene i qubits ikke kun med direkte naboer, men også med mere vidtstrakte qubits. Det gør det muligt at bruge et mindre gitter af qubits for at opnå det samme antal sammenligninger til fejlkorrektion. Denne form for langdistancekommunikation mellem qubits havde dog altid været det knibepunkt i implementeringen af ​​qLDPC.

Forskerne fandt på en løsning i form af ny hardware:rekonfigurerbare atomer, der kan flyttes med lasere for at tillade qubits at tale med nye partnere.

"Med nutidens rekonfigurerbare atomarray-systemer kan vi kontrollere og manipulere mere end tusind fysiske qubits med høj kvalitet og forbinde qubits adskilt af en stor afstand," sagde Harry Zhou fra Harvard University og QuEra Computing. "Ved at matche strukturen af ​​kvantekoder og disse hardwareegenskaber kan vi implementere disse mere avancerede qLDPC-koder med kun nogle få kontrollinjer, hvilket gør realiseringen af ​​dem inden for rækkevidde med nutidens eksperimentelle systemer."

Da de kombinerede qLDPC-koder med rekonfigurerbare neutral-atom-arrays, var holdet i stand til at opnå en bedre fejlrate end at bruge overfladekoder med kun et par hundrede fysiske qubits. Ved opskalering kan kvantealgoritmer, der involverer tusindvis af logiske qubits, opnås med mindre end 100.000 fysiske qubits – langt mere effektive end guldstandard-overfladekoderne.

"Der er stadig redundans i form af kodning af data i flere fysiske qubits, men tanken er, at vi har reduceret den redundans meget," sagde Xu.

Rammen er stadig teoretisk, selvom videnskabsmænd hurtigt udvikler atomarray-platforme, der bevæger sig mod den praktiske brug af fejlkorrigeret kvanteberegning. PME-teamet arbejder nu på at finjustere deres plan yderligere og sikre, at de logiske qubits, der er afhængige af qLDPC-koder og rekonfigurerbare atomarrays, kan bruges i beregningen.

"Vi tror, ​​at dette i det lange løb vil give os mulighed for at bygge meget store kvantecomputere med lavere fejlfrekvenser," sagde Xu.

Flere oplysninger: Qian Xu et al., Konstant overhead fejltolerant kvanteberegning med rekonfigurerbare atomarrays, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02479-z

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Chicago