Onderzoekers van de Universiteit van Chicago publiceerden een nieuwe techniek om de betrouwbaarheid van kwantumcomputers te verbeteren door toegang te krijgen tot hogere energieniveaus dan traditioneel werd aangenomen. Het meeste eerdere werk op het gebied van kwantumberekeningen gaat over "qubits, " de kwantumanaloog van binaire bits die nul of één coderen. Het nieuwe werk maakt in plaats daarvan gebruik van "qutrits, " kwantumanalogen van trits met drie niveaus die nul kunnen vertegenwoordigen, een of twee.

De UChicago-groep werkte samen met onderzoekers van de Duke University. Beide groepen maken deel uit van de EPiQC-samenwerking (Enabling Practical-scale Quantum Computation), een NSF-expeditie in computergebruik. Het interdisciplinaire onderzoek van EPiQC strekt zich uit van algoritme- en softwareontwikkeling tot architectuur en hardwareontwerp, met het uiteindelijke doel om sneller het enorme potentieel van quantum computing voor wetenschappelijke ontdekking en computerinnovatie te realiseren.

Toegang tot hogere energieniveaus

Het werk kan worden gezien in de context van een fundamentele afweging tussen ruimte en tijd die gebruikelijk is in de informatica:programma's kunnen worden versneld door meer geheugen te gebruiken, Of anders, programma's kunnen de geheugenvereisten verminderen door langere runtimes te maken. Maar in de context van kwantumcomputing, waar machines op korte termijn ernstig worden beperkt in zowel geheugen als ondersteunde runtimes, geen van deze afwegingen is acceptabel.

De oplossing die het EPiQC-team ontdekte, was om de abstractie van het gebruik van binaire qubits te doorbreken. "Hoewel binaire logica logisch is voor de aan-uit-fysica die ten grondslag ligt aan conventionele computers, kwantumhardware is niet inherent binair, " legt onderzoeker Pranav Gokhale uit, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Chicago. In feite, toestanden op een kwantumcomputer behoren tot een oneindig spectrum, dus de qubit is slechts een kunstmatig ontworpen keuze om slechts twee van de toestanden te gebruiken.

Het team ontdekte dat door het gebruik van drie toestanden via qutrits toe te staan, een van de fundamentele bewerkingen in kwantumberekening is exponentieel sneller zonder dat er extra geheugen nodig is. Het team verifieerde hun ontdekking met simulaties die werden uitgevoerd onder realistische geluidsomstandigheden.

"Qutrits hebben een prijs, aangezien de aanwezigheid van een extra toestand meer mogelijke foutenbronnen impliceert, "zei Gokhale. "Niettemin, onze simulaties tonen aan dat qutrits een overtuigend voordeel hebben met een twee tot tien keer hogere betrouwbaarheid dan qubit-only algoritmen voor benchmarks op korte termijn."

De kloof tussen hardware en software overbruggen

De ontdekking van het team sluit goed aan bij EPiQC's interdisciplinaire focus op het overbruggen van de kloof tussen kwantumhardware en -software. Een vroege fase van dit werk werd gepresenteerd op de Quantum Information Processing Conference in januari, waar het de prijs voor beste poster won. Vanaf dat moment, het onderzoek is verfijnd om overeen te komen met geavanceerde hardwaremodellen die zijn ontwikkeld in samenwerking met experts die werken aan supergeleidende en ingesloten ionenquantumcomputers.

"Door algoritmen aan te passen om te profiteren van de unieke mogelijkheden van kwantumhardware, we realiseren efficiëntiewinsten die anders verborgen blijven achter de abstractiebarrières tussen hardware en software, " merkt Fred Chong op, Seymour Goodman Professor in Computer Science aan UChicago en hoofd PI voor EPiQC. "In dit geval, onze hardwaremodellering bracht ons ertoe om de conventionele wijsheid dat binaire bewerking het beste is voor berekeningen opnieuw te bekijken en uit te dagen."

Het volledige papier, "Asymptotische verbeteringen aan Quantum Circuits via Qutrits, " is nu gepubliceerd op arXiv.