De rekenkracht is de afgelopen decennia exponentieel gegroeid, dus waarom duurt het zo lang voordat de veelbeloofde volgende sprong van kwantumcomputers arriveert?

Een reden is dat de informatie in een kwantumsysteem gevoelig is voor foutopwekkende ruis op een manier die klassieke informatie niet is. Dit geluid is overal en onvermijdelijk, voortkomend uit microscopische trillingen van atomen en elektronen in alle materie. We moeten dus nieuwe manieren bedenken om met kwantumfouten om te gaan.

Wanneer u belt in een overbelast netwerk, of een cd krassen, de techniek kan nog werken:gesprekken blijven verstaanbaar en muziek speelt nog.

Dit komt omdat deze apparaten foutcorrigerende codes gebruiken:zelfs als fouten de onbewerkte gegevensstroom beschadigen, de belangrijke logische informatie kan nog steeds worden gereconstrueerd. En deze kunnen worden aangepast voor quantum computing.

Een tijd waarop je kunt rekenen

Om te zien hoe dit werkt voor klassieke codering, overweeg de oplossing die door vroege navigators werd gebruikt.

Ze wisten dat de lengtegraad kon worden berekend vanaf de hoogte van de zon, zolang de tijd in de thuishaven bekend was - vandaar de noodzaak voor de marine om nauwkeurige, stabiele klokken.

Ideaal, één klok zou voldoende zijn, maar wat als er iets misgaat? Twee klokken zijn beter, zolang ze het er allebei over eens zijn. Maar als ze het er niet mee eens zijn, Welke is goed? Met drie klokken, een meerderheidsstem stelt de tijdwaarnemer in staat een eigenzinnig uurwerk te detecteren en opnieuw in te stellen.

Voor binaire gegevens, vertegenwoordigd door 0s en 1s, herhaling beschermt informatie:een logische bit "0" wordt weergegeven in drie fysieke bits als 000, terwijl "1" wordt weergegeven als 111.

Stel dat tijdens gegevensoverdracht van "0", het laatste fysieke bit is per ongeluk omgedraaid, zodat het ontvangen bericht 001 is. De ontvanger zou onmiddellijk zien dat een fout de gegevens had beschadigd.

Verder, door een meerderheid van stemmen te nemen, ze zou raden dat een fout het derde fysieke bit beïnvloedde, en decodeer correct de logische bit:"0". Zolang fouten zeldzaam zijn, de herhalingscode zorgt ervoor dat logische gegevens betrouwbaar kunnen worden verzonden via een lawaaierige, foutgevoelig kanaal.

bekende onbekenden

Een kwantumrimpel in deze foto is dat het om een ​​"meting" gaat. De ontvanger weet precies welke fysieke bits ze heeft ontvangen (001 in het voorbeeld, bovenstaand), wat inhoudt dat ze ze moest meten (dat wil zeggen, kijk naar hen).

Maar de kwantummechanica vertelt ons dat het meten de toestand van een kwantumsysteem fundamenteel verandert. Door simpelweg quantumbits (qubits) te meten, verandert de boodschap.

Dus een kwantumontvanger mag de qubits niet rechtstreeks meten, maar ze moet nog uitzoeken of er fouten zijn opgetreden, en waar.

Om dit op te lossen, gaan we terug naar de herhalingscode voor begeleiding. In plaats van naar de bitwaarden te kijken, de ontvanger zou in plaats daarvan de volgende twee vragen kunnen stellen:

• Q1:is het eerste bit hetzelfde als het tweede bit?
• Vraag 2:is het tweede bit hetzelfde als het derde bit?

Als er geen fouten waren, het antwoord op beide vragen zou "ja" zijn, ongeacht of het bericht 000 of 111 was.

Maar als het laatste bit een fout opliep (ontvangst 001 of 110), het antwoord op Q1 zou "ja" zijn, maar Q2 zou "nee" zijn. Uit deze reactie de ontvanger kan het bestaan ​​van een fout en de locatie ervan afleiden.

evenzo, een fout op de eerste bit wordt onthuld door het patroon Q1="Nee", Q2="Ja". Een fout op de middelste bit wordt onthuld door Q1=Q2="Nee". Dus, elke enkele fout wordt op unieke wijze bepaald door deze antwoorden, en kan worden gerepareerd.

Weten welk fysiek bit een fout heeft opgelopen, ze zou het oplossen door dat stukje opzettelijk om te draaien, om het effect van de oorspronkelijke fout ongedaan te maken. Dit kan gebeuren zonder de staat van het beschadigde bit te kennen.

Merk op dat het beantwoorden van deze vragen alleen vergelijkende kennis van de ontvangen bits vereist. Het hangt niet af van hun specifieke waarde, noch de gecodeerde logische informatie.

Dit principe vat de essentie van kwantumfoutcorrectiecodes samen. Het stelt ons in staat om tegelijkertijd fouten te identificeren en schade aan kwantuminformatie te voorkomen.

In plaats van de waarde van individuele fysieke qubits te meten, een reeks vergelijkende vragen worden gesteld:"Zijn de qubits in groep A hetzelfde als elkaar?", "Zijn de qubits in groep B hetzelfde?" enzovoort. De antwoorden op deze vragen geven aanwijzingen over de locatie van fouten, maar zonder de boodschap zelf te onthullen.

Deze antwoorden worden vervolgens gebruikt om de waarschijnlijke fouten af ​​te leiden en te corrigeren.

De logische kwantuminformatie is gecodeerd in weer een andere combinatie van qubits, die we alleen meten als we echt de logische kwantumtoestand willen ontdekken.

Deze aanpak is actief, en rekenkundig duur voor grote datasets. Voor sommige toepassingen is het is nodig. Maar als ingenieurs in de jaren veertig een soortgelijke strijd hadden gehad om vroege computers te ontwikkelen, Ik vermoed dat de laptop waarop ik dit schrijf nooit gebouwd zou zijn.

Magnetische stabiliteit

In plaats daarvan, ze hadden geluk, zoals de natuur zelf de klassieke foutcorrectie gratis doet. Magneten zijn ongelooflijk stabiel, dus worden ze gebruikt om grote hoeveelheden informatie op harde schijven op te slaan met bijna geen actieve foutcorrectie.

Magneten zijn slechts verzamelingen van vele magnetische atomen die de neiging hebben om hun magnetische assen met elkaar uit te lijnen, dus ze wijzen allemaal naar het noorden.

Als een kosmische straal spontaan de magnetische oriëntatie van één atoom vernietigt, zijn atomaire buren oefenen een magnetische kracht uit die het opnieuw uitlijnt met de meerderheidsrichting. Dus een magneet kan worden gezien als een stuk materie dat passief fouten corrigeert, door een lokale meerderheid van stemmen.

Helaas voor kwantumcomputers, we kennen zo'n passief stabiele toestand van kwantummaterie niet. In feite, we hebben wiskundige bewijzen dat dergelijke materie niet kan bestaan ​​in een tweedimensionaal universum, terwijl het kan in een vierdimensionaal universum.

Tot dusver, we weten niet of passief stabiele kwantummaterie bestaat in ons eigen driedimensionale universum.

We weten dat met voldoende vaardigheid en middelen, we kunnen actief kwantumfouten corrigeren.

Maar het bouwen van een kwantumgeheugen is een voortdurende uitdaging. Er gaat niets boven een "kwantummagneet" om gemakkelijk kwantuminformatie voor ons op te slaan. We moeten zo'n systeem van de grond af ontwerpen en bouwen, bijna letterlijk atoom voor atoom.

Een van de eerste grote taken die een kwantumcomputer zal doen, is om kwantumfoutcorrectie op zichzelf uit te voeren. Hoe prozaïsch dit ook klinkt, het zal de eerste instantie zijn in ons bekende universum van echt kwantummaterie.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.