Een nieuw computerprogramma dat detecteert wanneer informatie in een kwantumcomputer naar ongewenste toestanden ontsnapt, geeft gebruikers van deze veelbelovende technologie voor het eerst de mogelijkheid om de betrouwbaarheid ervan te controleren zonder enige technische kennis.

Onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick hebben een kwantumcomputerprogramma ontwikkeld om de aanwezigheid van 'lekkage' te detecteren, waar informatie die door een kwantumcomputer wordt verwerkt, ontsnapt uit de toestanden 0 en 1.

Hun methode wordt gepresenteerd in een paper dat vandaag (19 maart) in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordeling A , en bevat experimentele gegevens van de toepassing ervan op een openbaar toegankelijke machine, dat laat zien dat ongewenste toestanden bepaalde berekeningen beïnvloeden.

Quantum computing maakt gebruik van de ongebruikelijke eigenschappen van de kwantumfysica om informatie op een geheel andere manier te verwerken dan conventionele computers. Profiteren van het gedrag van kwantumsystemen, zoals bestaande in meerdere verschillende staten tegelijkertijd, deze radicale vorm van computergebruik is ontworpen om gegevens in al die toestanden tegelijkertijd te verwerken, waardoor het een enorm voordeel heeft ten opzichte van conventioneel computergebruik.

Bij conventioneel computergebruik kwantumcomputers gebruiken combinaties van nullen en enen om informatie te coderen, maar kwantumcomputers kunnen gebruikmaken van kwantumtoestanden die tegelijkertijd 0 en 1 zijn. Echter, de hardware die die informatie codeert, kan deze soms verkeerd coderen in een andere staat, een probleem dat bekend staat als 'lekkage'. Zelfs een minuscule lekkage die zich ophoopt over vele miljoenen hardwarecomponenten kan misrekeningen en mogelijk ernstige fouten veroorzaken, elk kwantumvoordeel ten opzichte van conventionele computers tenietdoen. Als onderdeel van een veel grotere reeks fouten, lekkage speelt een rol bij het voorkomen dat kwantumcomputers worden opgeschaald naar commerciële en industriële toepassingen.

Gewapend met de kennis van hoeveel kwantumlekkage plaatsvindt, computeringenieurs zullen beter in staat zijn om systemen te bouwen die dit verminderen en programmeurs kunnen nieuwe foutcorrectietechnieken ontwikkelen om hiermee rekening te houden.

Dr. Animesh Datta, Universitair hoofddocent natuurkunde, zei:"De commerciële belangstelling voor kwantumcomputing groeit, dus we wilden ons afvragen hoe we met zekerheid kunnen zeggen dat deze machines doen wat ze moeten doen.

"Kwantumcomputers zijn idealiter gemaakt van qubits, maar zoals blijkt uit echte apparaten, zijn het soms helemaal geen qubits - maar in feite zijn het qutrits (drie toestanden) of ququarts (systemen met vier toestanden). Een dergelijk probleem kan elke volgende stap van uw computerbewerking beschadigen.

"De meeste hardwareplatforms voor kwantumcomputers hebben last van dit probleem - zelfs conventionele computerdrives ervaren magnetische lekkage, bijvoorbeeld. We hebben kwantumcomputeringenieurs nodig om lekkage zoveel mogelijk te verminderen door middel van ontwerp, maar we moeten gebruikers van kwantumcomputers ook toestaan ​​om er eenvoudige diagnostische tests voor uit te voeren.

"Als kwantumcomputers algemeen worden gebruikt, het is belangrijk dat een gebruiker die geen idee heeft hoe een kwantumcomputer werkt, kan controleren of deze correct werkt zonder technische kennis, of als ze op afstand toegang hebben tot die computer."

De onderzoekers pasten hun methode toe met behulp van de IBM Q Experience-kwantumapparaten, via de openbaar toegankelijke cloudservice van IBM. Ze gebruikten een techniek die dimensiegetuigenis wordt genoemd:door herhaaldelijk dezelfde bewerking toe te passen op het IBM Q-platform, ze verkregen een dataset met resultaten die niet konden worden verklaard door een enkele kwantumbit, en alleen door een meer gecompliceerde, hoger dimensionaal kwantumsysteem. Zij hebben berekend dat de kans dat deze conclusie voortkomt uit louter toeval kleiner is dan 0,05%.

Terwijl conventionele computers binaire cijfers gebruiken, of 0s en 1s, om informatie in transistors te coderen, kwantumcomputers gebruiken subatomaire deeltjes of supergeleidende circuits die transmonen worden genoemd om die informatie als een qubit te coderen. Dit betekent dat het tegelijkertijd in een superpositie van zowel 0 als 1 staat, waardoor gebruikers tegelijkertijd kunnen rekenen op verschillende reeksen van dezelfde qubits. Naarmate het aantal qubits toeneemt, het aantal processen neemt ook exponentieel toe. Bepaalde soorten problemen, zoals die gevonden worden bij het ontcijferen van codes (die berust op het ontbinden van grote gehele getallen) en in de chemie (zoals het simuleren van gecompliceerde moleculen), zijn bijzonder geschikt om deze eigenschap te exploiteren.

Transmons (en andere hardware voor kwantumcomputers) kunnen in een groot aantal toestanden voorkomen:0, 1, 2, 3, 4 enzovoort. Een ideale kwantumcomputer gebruikt alleen toestanden 0 en 1, evenals superposities hiervan, anders ontstaan ​​er fouten in de kwantumberekening.

Dr. George Knee, wiens werk werd gefinancierd door een Research Fellowship van de Koninklijke Commissie voor de Tentoonstelling van 1851, zei:"Het is heel wat om deze conclusie te kunnen trekken op een afstand van enkele duizenden mijlen, met zeer beperkte toegang tot de IBM-chip zelf. Hoewel ons programma alleen gebruik maakte van de toegestane 'single qubit' instructies, de benadering van dimensiegetuigenis kon aantonen dat er toegang werd verkregen tot ongewenste toestanden in de componenten van het transmoncircuit. Ik zie dit als een overwinning voor elke gebruiker die de geadverteerde eigenschappen van een kwantummachine wil onderzoeken zonder te hoeven verwijzen naar hardwarespecifieke details."