USC-wetenschappers hebben een theoretische methode gedemonstreerd om de prestaties van kwantumcomputers te verbeteren, een belangrijke stap om een ​​technologie op te schalen met het potentieel om enkele van de grootste maatschappelijke uitdagingen op te lossen.

De methode pakt een zwak punt aan dat de prestaties van computers van de volgende generatie verslechtert door foutieve berekeningen te onderdrukken en de betrouwbaarheid van de resultaten te vergroten, een cruciale stap voordat de machines beter kunnen presteren dan klassieke computers zoals bedoeld. genaamd "dynamische ontkoppeling, " het werkte op twee kwantumcomputers, bleek gemakkelijker en betrouwbaarder dan andere remedies en was toegankelijk via de cloud, wat een primeur is voor dynamische ontkoppeling.

De techniek beheert staccato uitbarstingen van kleine, gerichte energiepulsen om omgevingsstoringen te compenseren die gevoelige berekeningen verpesten. De onderzoekers melden dat ze een kwantumtoestand tot drie keer langer konden volhouden dan anders zou optreden in een ongecontroleerde toestand.

"Dit is een stap vooruit, " zei Daniël Lidar, hoogleraar elektrotechniek, scheikunde en natuurkunde bij USC en directeur van het USC Center for Quantum Information Science and Technology (CQIST). "Zonder foutonderdrukking, er is geen manier waarop quantum computing klassieke computing kan inhalen."

De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . Lidar is de Viterbi Professor of Engineering aan het USC en corresponderende auteur van de studie; leidde hij een team van onderzoekers bij CQIST, dat is een samenwerking tussen de USC Viterbi School of Engineering en de USC Dornsife School of Letters, Kunsten en Wetenschappen. IBM en Bay Area startup Rigetti Computing zorgden voor cloudtoegang tot hun kwantumcomputers.

Quantumcomputers zijn snel, maar breekbaar

Quantumcomputers hebben het potentieel om de huidige supercomputers te verouderen en doorbraken in de geneeskunde voort te stuwen, financiële en defensiecapaciteiten. Ze benutten de snelheid en het gedrag van atomen, die radicaal anders functioneren dan silicium computerchips, om schijnbaar onmogelijke berekeningen uit te voeren.

Quantum computing heeft het potentieel om nieuwe medicamenteuze therapieën te optimaliseren, modellen voor klimaatverandering en ontwerpen voor nieuwe machines. Ze kunnen een snellere levering van producten realiseren, lagere kosten voor gefabriceerde goederen en efficiënter transport. Ze worden aangedreven door qubits, de subatomaire werkpaarden en bouwstenen van quantum computing.

Maar qubits zijn net zo temperamentvol als raceauto's met hoge prestaties. Ze zijn snel en hi-tech, maar gevoelig voor fouten en stabiliteit nodig hebben om berekeningen te ondersteunen. Als ze niet goed werken, ze produceren slechte resultaten, die hun mogelijkheden beperkt ten opzichte van traditionele computers. Wetenschappers over de hele wereld moeten nog een "kwantumvoordeel" behalen - het punt waarop een kwantumcomputer bij elke taak beter presteert dan een conventionele computer.

Het probleem is "lawaai, " een allesomvattende descriptor voor verstoringen zoals geluid, temperatuur en trillingen. Het kan qubits destabiliseren, wat zorgt voor "decoherentie, " een verstoring die de duur van de kwantumtoestand verstoort, wat de tijd verkort die een kwantumcomputer een taak kan uitvoeren terwijl hij nauwkeurige resultaten behaalt.

"Ruis en decoherentie hebben een grote impact en verpesten berekeningen, en een kwantumcomputer met te veel ruis is nutteloos, " legde Lidar uit. "Maar als je de problemen die met lawaai te maken hebben kunt wegnemen, dan begin je het punt te naderen waarop kwantumcomputers nuttiger worden dan klassieke computers."

USC-onderzoek omvat meerdere quantum computing-platforms

USC is de enige universiteit ter wereld met een kwantumcomputer; zijn 1098-qubit D-Wave quantum annealer is gespecialiseerd in het oplossen van optimalisatieproblemen. Onderdeel van het USC-Lockheed Martin Center for Quantum Computing, het bevindt zich bij het Information Sciences Institute van het USC. Echter, de nieuwste onderzoeksresultaten werden niet op de D-Wave-machine bereikt, maar op kleinere schaal, universele kwantumcomputers:IBM's 16-qubit QX5 en Rigetti's 19-qubit Acorn.

Om dynamische ontkoppeling (DD) te bereiken, de onderzoekers baadden de supergeleidende qubits met strak gefocuste, getimede pulsen van minieme elektromagnetische energie. Door de pulsen te manipuleren, wetenschappers konden de qubits in een micro-omgeving omhullen, afgezonderd of ontkoppeld van omgevingsgeluid, waardoor een kwantumtoestand in stand wordt gehouden.

"We hebben een eenvoudig mechanisme geprobeerd om fouten in de machines te verminderen, wat effectief bleek te zijn, " zei Bibek Pokharel, een doctoraalstudent elektrotechniek aan USC Viterbi en eerste auteur van de studie.

De tijdreeksen voor de experimenten waren buitengewoon klein met maximaal 200 pulsen die zich uitstrekken tot 600 nanoseconden. Een miljardste van een seconde, of een nanoseconde, is hoe lang het duurt voordat het licht één voet aflegt.

Voor de IBM-kwantumcomputers geldt uiteindelijke trouw drievoudig verbeterd, van 28,9 procent naar 88,4 procent. Voor de Rigetti-kwantumcomputer, de uiteindelijke getrouwheidsverbetering was een meer bescheiden 17 procent, van 59,8 tot 77,1, volgens de studie. De wetenschappers testten hoe lang de getrouwheidsverbetering kon worden volgehouden en ontdekten dat meer pulsen altijd de zaken voor de Rigetti-computer verbeterden, terwijl er een limiet was van ongeveer 100 pulsen voor de IBM-computer.

Algemeen, de bevindingen tonen aan dat de DD-methode beter werkt dan andere kwantumfoutcorrectiemethoden die tot nu toe zijn geprobeerd, zei Lidar.

"Voor zover wij weten, ’ schreven de onderzoekers, "Dit komt neer op de eerste ondubbelzinnige demonstratie van succesvolle decoherentiemitigatie in cloudgebaseerde supergeleidende qubit-platforms ... we verwachten dat de getrokken lessen een brede toepasbaarheid zullen hebben."

Hoge inzet in de race om quantum suprematie

De zoektocht naar de suprematie van kwantumcomputers is een geopolitieke prioriteit voor Europa, China, Canada, Australië en de Verenigde Staten. Het voordeel dat wordt behaald door de aanschaf van de eerste computer die alle andere computers overbodig maakt, zou enorm zijn en economische, militaire en volksgezondheidsvoordelen voor de winnaar.

Het congres overweegt twee nieuwe wetsvoorstellen om de Verenigde Staten als leider op het gebied van kwantumcomputers te vestigen. In september, het Huis van Afgevaardigden heeft de National Quantum Initiative Act aangenomen om in vijf jaar $ 1,3 miljard toe te wijzen om onderzoek en ontwikkeling te stimuleren. Het zou een Nationaal Quantum Coördinatiebureau in het Witte Huis creëren om onderzoek in het hele land te begeleiden. Een aparte rekening, de Quantum Computing Research Act door Sen. Kamala Harris, D-Californië, geeft het ministerie van Defensie opdracht om een ​​kwantumcomputerinspanning te leiden.

"Quantum computing is de volgende technologische grens die de wereld zal veranderen en we kunnen het ons niet veroorloven achterop te raken, Harris zei in voorbereide opmerkingen. "Het zou banen kunnen creëren voor de volgende generatie, ziekten te genezen en vooral onze natie sterker en veiliger te maken. ... Zonder adequaat onderzoek en coördinatie in quantum computing, lopen we het risico achterop te raken bij onze wereldwijde concurrentie in de cyberspace-race, waardoor we kwetsbaar zijn voor aanvallen van onze tegenstanders, " ze zei.