En fysisk qubit med indbygget fejlkorrektion

Der er sket betydelige fremskridt inden for kvanteberegning. Store globale aktører, såsom Google og IBM, tilbyder allerede cloud-baserede kvantecomputertjenester. Kvantecomputere kan dog endnu ikke hjælpe med problemer, der opstår, når standardcomputere når grænserne for deres kapacitet, fordi tilgængeligheden af ​​qubits eller kvantebits, dvs. de grundlæggende enheder af kvanteinformation, stadig er utilstrækkelig.

En af grundene til dette er, at blottede qubits ikke umiddelbart er til brug for at køre en kvantealgoritme. Mens de binære bits af sædvanlige computere gemmer information i form af faste værdier på enten 0 eller 1, kan qubits repræsentere 0 og 1 på én og samme tid, hvilket bringer sandsynligheden for deres værdi i spil. Dette er kendt som kvantesuperposition.

Dette gør dem meget modtagelige for ydre påvirkninger, hvilket betyder, at den information, de gemmer, let kan gå tabt. For at sikre, at kvantecomputere leverer pålidelige resultater, er det nødvendigt at generere en ægte sammenfiltring for at forbinde flere fysiske qubits for at danne en logisk qubit. Skulle en af ​​disse fysiske qubits fejle, vil de andre qubits beholde informationen. En af de største vanskeligheder, der forhindrer udviklingen af ​​funktionelle kvantecomputere, er imidlertid det store antal fysiske qubits, der kræves.

Fordele ved en fotonbaseret tilgang

Mange forskellige koncepter bliver brugt for at gøre kvanteberegning levedygtig. Store virksomheder er i øjeblikket afhængige af superledende faststofsystemer, for eksempel, men disse har den ulempe, at de kun fungerer ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Fotoniske koncepter virker derimod ved stuetemperatur.

Enkelte fotoner tjener normalt som fysiske qubits her. Disse fotoner, som i en vis forstand er små partikler af lys, fungerer i sagens natur hurtigere end faststof-qubits, men går samtidig lettere tabt. For at undgå qubit-tab og andre fejl er det nødvendigt at koble flere enkelt-foton-lysimpulser sammen for at konstruere en logisk qubit - som i tilfældet med den superlederbaserede tilgang.

En qubit med den iboende kapacitet til fejlkorrektion

Forskere fra University of Tokyo sammen med kolleger fra Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) i Tyskland og Palacký University Olomouc i Tjekkiet har for nylig demonstreret et nyt middel til at konstruere en fotonisk kvantecomputer. I stedet for at bruge en enkelt foton, brugte holdet en lasergenereret lysimpuls, der kan bestå af flere fotoner. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Science .

"Vores laserpuls blev konverteret til en kvanteoptisk tilstand, der giver os en iboende kapacitet til at rette fejl," sagde professor Peter van Loock fra Mainz University. "Selvom systemet kun består af en laserpuls og dermed er meget lille, kan det - i princippet - udrydde fejl med det samme." Der er således ikke behov for at generere individuelle fotoner som qubits via adskillige lysimpulser og derefter få dem til at interagere som logiske qubits.

"Vi har kun brug for en enkelt lysimpuls for at opnå en robust logisk qubit," tilføjede van Loock. For at sige det med andre ord, så svarer en fysisk qubit allerede til en logisk qubit i dette system - et bemærkelsesværdigt og unikt koncept. Den logiske qubit, der eksperimentelt blev produceret ved University of Tokyo, var dog endnu ikke af en tilstrækkelig kvalitet til at give det nødvendige niveau af fejltolerance. Ikke desto mindre har forskerne klart demonstreret, at det er muligt at transformere ikke-universelt korrigerbare qubits til korrigerbare qubits ved hjælp af de mest innovative kvanteoptiske metoder.

Flere oplysninger: Shunya Konno et al., Logiske tilstande for fejltolerant kvanteberegning med udbredelse af lys, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk7560

Olivier Pfister, Qubits uden qubits, Science (2024). DOI:10.1126/science.adm9946

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Johannes Gutenberg University Mainz