Wetenschappers van de Universiteit van Sydney hebben voor het eerst verbeteringen in kwantumcomputers aangetoond door codes te gebruiken die zijn ontworpen om fouten in de logische poorten van dergelijke machines te detecteren en te verwijderen.

"Dit is echt de eerste keer dat het beloofde voordeel voor kwantumlogische poorten uit de theorie is gerealiseerd in een echte kwantummachine, " zei dr. Robin Harper, hoofdauteur van een nieuw artikel dat deze week is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift, Fysieke beoordelingsbrieven .

Kwantumlogische poorten worden gevormd door verstrengelde netwerken van een klein aantal kwantumbits, of qubits. Het zijn de schakelaars waarmee kwantumcomputers algoritmen kunnen uitvoeren, of recepten, informatie verwerken en berekeningen uitvoeren.

Dr. Harper en zijn collega Professor Steven Flammia, van de School of Physics en het Nano Institute van de Universiteit van Sydney, gebruikte IBM's kwantumcomputer om foutdetectiecodes te testen. Ze toonden een orde van grootte verbetering in het verminderen van ontrouw, of foutenpercentages, in kwantumlogische poorten, de schakelaars die de basis zullen vormen van volledig functionerende kwantumcomputers.

Dr. Jay Gambetta, IBM Fellow en belangrijkste theoretische wetenschapper bij IBM Q, zei:"Dit artikel is een goed voorbeeld van hoe wetenschappers onze openbaar beschikbare cloudsystemen kunnen gebruiken om fundamentele problemen te onderzoeken. Hier laten Harper en Flammia zien dat ideeën over fouttolerantie kunnen worden onderzocht op echte apparaten die we aan het bouwen zijn en al inzetten, vandaag."

Quantumtechnologieën staan ​​nog in de kinderschoenen, maar beloven een revolutie teweeg te brengen in de computerverwerking in de 21e eeuw door berekeningen uit te voeren waarvan wordt aangenomen dat ze het vermogen van de grootste en snelste supercomputers te boven gaan.

Ze zullen dit doen met behulp van de ongebruikelijke eigenschappen van materie op de kwantumschaal waarmee ze informatie kunnen verwerken met behulp van qubits. Dit zijn computerelementen die gebruikmaken van het feit dat kwantumobjecten in een onbepaalde toestand kunnen bestaan, bekend als superpositie, en kan 'verstrikt' raken, een fenomeen dat gedrag beschrijft dat niet wordt gezien in conventionele computers.

Echter, elektronische 'ruis' verstoort gemakkelijk deze toestanden, snel fouten produceren in kwantumberekeningen, wat de ontwikkeling van bruikbare machines erg moeilijk maakt.

"De huidige apparaten zijn vaak te klein, met beperkte interconnectiviteit tussen qubits en te 'luidruchtig' zijn om zinvolle berekeningen mogelijk te maken, "Zei Dr. Harper. "Echter, ze zijn voldoende om te fungeren als proeftuinen voor proof of principle-concepten, zoals het detecteren en mogelijk corrigeren van fouten met behulp van kwantumcodes."

Terwijl de klassieke schakelaars in uw laptop of mobiele telefoon jarenlang probleemloos kunnen werken, in dit stadium beginnen kwantumschakelaars al na een fractie van een seconde te falen.

"Een manier om hiernaar te kijken is door het concept van entropie, " zei professor Flammia. "Alle systemen hebben de neiging tot wanorde. Bij conventionele computers is systemen worden eenvoudig ververst en gereset met behulp van DRAM en andere methoden, effectief de entropie uit het systeem dumpen, geordende berekening toestaan, " hij zei.

"In kwantumsystemen, effectieve resetmethoden om entropie te bestrijden zijn veel moeilijker te ontwikkelen. De codes die we gebruiken zijn een manier om deze entropie uit het systeem te dumpen, " zei professor Flammia, die vandaag de prestigieuze Pawsey-medaille ontving van de Australian Academy of Science.

Met behulp van codes om fouten op IBM's kwantumapparaat te detecteren en te verwijderen, Dr. Harper en professor Flammia lieten een daling van het foutenpercentage zien van 5,8 procent naar 0,60 procent. Dus in plaats van dat één op de twintig kwantumpoorten faalt, slechts één op de 200 zou falen, een orde van grootte verbetering.

"Dit is een belangrijke stap voorwaarts om fouttolerantie in kwantumsystemen te ontwikkelen, zodat ze kunnen opschalen naar zinvolle apparaten, ' zei dokter Harper.

de fysici, die beide onderzoekers zijn bij het ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems, benadrukte dat dit een demonstratie was van fouttolerante poorten op paren qubits.

"Er is nog een lange weg te gaan voordat de kwantumgemeenschap fouttolerante computers kan demonstreren, " Dr. Harper zei. Hij zei dat andere groepen verbeteringen hebben laten zien in andere facetten van kwantumapparaten met behulp van codes. De volgende stap is om deze benaderingen te synthetiseren en te testen op grootschaligere apparaten van enkele tientallen qubits die hergebruik en herinitialisatie van qubits.

Bedrijven als IBM, Google, Rigetti en IonQ zijn begonnen of staan ​​op het punt om kwantumonderzoekers toe te staan ​​hun theoretische benaderingen te testen op deze kleine, luidruchtige machines.

"Deze experimenten zijn de eerste bevestiging dat het theoretische vermogen om fouten in de werking van logische poorten te detecteren met behulp van kwantumcodes voordelig is in huidige apparaten, een belangrijke stap in de richting van het doel om grootschalige kwantumcomputers te bouwen, ' zei dokter Harper.