Quantumsystemen kunnen met extreem hoge precisie worden gemanipuleerd, maar niet perfect. Onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van ETH Zürich hebben nu aangetoond hoe fouten die tijdens dergelijke operaties optreden, kunnen worden gecontroleerd en gecorrigeerd.

Het gebied van kwantumberekening heeft de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt. Meer en meer, kwantumapparaten vormen een uitdaging voor conventionele computers, in ieder geval bij een handvol geselecteerde taken. Ondanks de huidige vorderingen, de huidige kwantuminformatieprocessors hebben nog steeds moeite om met fouten om te gaan, die onvermijdelijk in elke berekening voorkomen. Dit onvermogen om fouten efficiënt te corrigeren, belemmert inspanningen voor duurzame, grootschalige verwerking van kwantuminformatie. Nutsvoorzieningen, een reeks experimenten door de groep van Jonathan Home van het Institute for Quantum Electronics heeft, Voor de eerste keer, integreerde een reeks elementen die nodig zijn voor het uitvoeren van kwantumfoutcorrectie in een enkel experiment. Deze resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Onvolmaaktheid draaglijk maken

Net als hun klassieke tegenhangers, kwantumcomputers zijn opgebouwd uit onvolmaakte componenten, en ze zijn veel gevoeliger voor storingen van buitenaf. Dit leidt onvermijdelijk tot fouten bij het uitvoeren van berekeningen. Voor conventionele computers, er bestaat een gevestigde toolkit voor het opsporen en corrigeren van dergelijke fouten. Quantumcomputers zullen nog meer afhankelijk zijn van het lokaliseren en herstellen van fouten. Dit vereist conceptueel verschillende benaderingen die rekening houden met het feit dat informatie is gecodeerd in kwantumtoestanden. Vooral, het herhaaldelijk uitlezen van kwantuminformatie zonder het te verstoren, een vereiste voor het opsporen van fouten, en in realtime reageren om deze fouten ongedaan te maken, vormen aanzienlijke uitdagingen.

Herhaal prestaties

De Thuisgroep codeert kwantuminformatie in de kwantumtoestanden van enkele ionen die in een val aan elkaar zijn geregen. Typisch, deze snaren bevatten ionen van slechts één soort. Maar Ph.D. studenten Vlad Negnevitsky en Matteo Marinelli, samen met postdoc Karan Mehta en andere collega's, hebben nu strings gemaakt waarin ze twee verschillende soorten hebben gevangen:twee berylliumionen ( ⁹ Zijn ⁺ ) en één calciumion ( ⁴⁰ Ca ⁺ ). Dergelijke snaren met gemengde soorten zijn eerder geproduceerd, maar het team heeft ze op nieuwe manieren gebruikt.

Ze maakten gebruik van de duidelijk verschillende eigenschappen die de twee soorten bezitten. Vooral, in hun experimenten, ze manipuleerden en maten beryllium- en calciumionen met verschillende kleuren licht. Dit opent de weg om aan de ene soort te werken zonder de andere te storen. Tegelijkertijd, de ETH-onderzoekers hebben manieren gevonden om de ongelijke ionen met elkaar te laten interageren, zodat metingen aan het calciumion informatie opleveren over de kwantumtoestanden van de berylliumionen, zonder die fragiele staten te corrumperen. belangrijk, de natuurkundigen volgden de berylliumionen herhaaldelijk terwijl ze werden onderworpen aan onvolkomenheden en fouten. Het team voerde 50 metingen uit op hetzelfde systeem, terwijl in eerdere experimenten (waar alleen calciumionen werden gebruikt), dergelijke herhaalde uitlezing is beperkt tot slechts een paar rondes.

Corrigerende actie

Fouten ontdekken is één ding; actie ondernemen om ze te corrigeren. Om dat laatste te doen, de onderzoekers ontwikkelden een krachtig controlesysteem om de berylliumionen herhaaldelijk te duwen, afhankelijk van hoeveel ze van de doeltoestand afdwaalden. Om de ionen weer op het goede spoor te krijgen, was complexe informatieverwerking nodig op een tijdschaal van microseconden. Omdat het systeem gebruik maakt van klassieke besturingselektronica, de nu gedemonstreerde benadering zou ook nuttig moeten zijn voor kwantumberekeningsplatforms op basis van andere informatiedragers dan ingesloten ionen.

belangrijk, Negnevitski, Marinelli, Mehta en hun collega's hebben aangetoond dat deze technieken ook kunnen worden gebruikt om toestanden te stabiliseren waarin de twee berylliumionen verstrengelde kwantumtoestanden delen, die geen direct equivalent hebben in de klassieke natuurkunde. Verstrengeling is een ingrediënt dat kwantumcomputers unieke mogelijkheden geeft. Bovendien, verstrengeling kan ook worden gebruikt om de nauwkeurigheid van precisiemetingen te verbeteren. Ingrediënten voor foutcorrectie, zoals die nu zijn aangetoond, kunnen ervoor zorgen dat deze toestanden langer duren, wat intrigerende vooruitzichten biedt, niet alleen voor kwantumberekening maar ook voor metrologie.