Een onderzoek onder leiding van natuurkundigen aan de Swansea University in Wales, uitgevoerd door een internationaal team van onderzoekers en gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X laat zien dat ion-trap-technologieën die tegenwoordig beschikbaar zijn, geschikt zijn voor het bouwen van grootschalige kwantumcomputers. De wetenschappers introduceren protocollen voor het corrigeren van kwantumfouten met ingesloten ionen die verwerkingsfouten detecteren en corrigeren.

Om hun volledige potentieel te bereiken, de prototypes van kwantumcomputers van tegenwoordig moeten aan specifieke criteria voldoen:ze moeten groter worden gemaakt, wat betekent dat ze uit een aanzienlijk groter aantal kwantumbits moeten bestaan. Tweede, ze moeten in staat zijn om fouten te verwerken. "We slagen er nog steeds niet in om complexe berekeningen uit te voeren, omdat omgevingsgeluid en fouten ervoor zorgen dat het systeem uit de hand loopt. " zegt kwantumfysicus Rainer Blatt in Innsbruck. "Door kwantumfoutcorrectie te gebruiken, we kunnen deze uitdaging beter aan." Klassieke computers gebruiken vergelijkbare schema's om fouten tijdens gegevensopslag en -overdracht te detecteren en te corrigeren:voordat gegevens worden opgeslagen en overgedragen, redundantie wordt aan de gegevens toegevoegd, meestal in de vorm van extra bits die fouten detecteren en corrigeren. Wetenschappers hebben vergelijkbare schema's ontwikkeld voor kwantumcomputers, waar kwantuminformatie is gecodeerd in verschillende verstrengelde fysieke kwantumbits. "Hier gebruiken we kwantummechanische eigenschappen voor foutdetectie en -correctie, " legt Markus Müller van de Universiteit van Swansea uit, Wales. "Als we het geluid onder een bepaalde drempel kunnen houden, we zullen kwantumcomputers kunnen bouwen die kwantumberekeningen van willekeurige complexiteit kunnen uitvoeren door het aantal verstrengelde kwantumbits dienovereenkomstig te vergroten."

Ionen vangen in een doolhof

Markus Müller en zijn collega Alejandro Bermudez Carballo leggen uit dat om dit doel te bereiken, de mogelijkheden van de technologische platforms moeten optimaal worden benut. "Voor voordelige foutcorrectie hebben we kwantumcircuits nodig die stabiel zijn en betrouwbaar werken onder realistische omstandigheden, zelfs als er extra fouten optreden tijdens de foutcorrectie, ", legt Bermudez uit. Ze introduceerden nieuwe varianten van fouttolerante protocollen en onderzochten hoe deze kunnen worden geïmplementeerd met de momenteel beschikbare bewerkingen op kwantumcomputers. De onderzoekers ontdekten dat een nieuwe generatie gesegmenteerde ionenvallen ideale omstandigheden voor het proces biedt:ionen kunnen worden gependeld snel over verschillende segmenten van de trap-array Nauwkeurig getimede processen maken parallelle bewerkingen mogelijk in verschillende opslag- en verwerkingsgebieden Door twee verschillende soorten ionen in een trap te gebruiken, wetenschappers kunnen het ene type gebruiken als dragers van de dataqubits, terwijl het andere type kan worden gebruikt voor foutmeting, ruisonderdrukking en koeling.

Een nieuwe generatie kwantumcomputers

Voortbouwend op de experimentele ervaring van onderzoeksgroepen in Innsbruck, Mainz, Zürich en Sydney hebben de onderzoekers criteria gedefinieerd waarmee de wetenschappers kunnen bepalen of de kwantumfoutcorrectie gunstig is. Door deze informatie te gebruiken kunnen ze de ontwikkeling van toekomstige ion-trap kwantumcomputers sturen met als doel om in de nabije toekomst een logische kwantumbit te realiseren die, wegens foutcorrectie, overtreft de eigenschappen van een puur fysieke kwantumbit.

De onderzoeksgroep van Simon Benjamin aan de Universiteit van Oxford liet door middel van complexe numerieke simulaties van de nieuwe foutcorrectieprotocollen zien hoe de hardware van de volgende generatie ion-trap quantumcomputers moet worden gebouwd om informatie fouttolerant te kunnen verwerken. "Onze numerieke resultaten laten duidelijk zien dat state-of-the-art ion-trap-technologieën zeer geschikt zijn om te dienen als platforms voor het bouwen van grootschalige fouttolerante kwantumcomputers, ’ legt Benjamin uit.