Labs over de hele wereld racen om nieuwe computer- en detectieapparaten te ontwikkelen die werken volgens de principes van de kwantummechanica en die dramatische voordelen kunnen bieden ten opzichte van hun klassieke tegenhangers. Maar deze technologieën staan ​​nog steeds voor verschillende uitdagingen, en een van de belangrijkste is hoe om te gaan met "ruis" - willekeurige fluctuaties die de gegevens die op dergelijke apparaten zijn opgeslagen, kunnen vernietigen.

Een nieuwe aanpak ontwikkeld door onderzoekers van MIT zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn in de correctie van kwantumfouten. De methode omvat het finetunen van het systeem om de soorten ruis aan te pakken die het meest waarschijnlijk zijn, in plaats van een breed net uit te werpen om te proberen alle mogelijke bronnen van verstoring op te vangen.

De analyse wordt beschreven in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , in een paper van MIT-afgestudeerde student David Layden, postdoc Mo Chen, en hoogleraar nucleaire wetenschappen en techniek Paola Cappellaro.

"De belangrijkste problemen waarmee we nu worden geconfronteerd bij het ontwikkelen van kwantumtechnologieën, zijn dat de huidige systemen klein en lawaaierig zijn, " zegt Layden. Lawaai, betekent ongewenste verstoring van welke aard dan ook, is vooral vervelend omdat veel kwantumsystemen inherent zeer gevoelig zijn, een functie die ten grondslag ligt aan sommige van hun potentiële toepassingen.

En er is nog een probleem, Layden zegt, dat is dat kwantumsystemen worden beïnvloed door elke waarneming. Dus, terwijl men kan detecteren dat een klassiek systeem afdrijft en een correctie kan toepassen om het terug te duwen, dingen zijn ingewikkelder in de kwantumwereld. "Wat echt lastig is aan kwantumsystemen, is dat als je ernaar kijkt, je hebt de neiging om ze in te storten, " hij zegt.

Klassieke foutcorrectieschema's zijn gebaseerd op redundantie. Bijvoorbeeld, in een communicatiesysteem dat onderhevig is aan ruis, in plaats van een enkele bit (1 of 0) te verzenden, men zou drie exemplaren van elk kunnen sturen (111 of 000). Vervolgens, als de drie bits niet overeenkomen, dat geeft aan dat er een fout is opgetreden. Hoe meer exemplaren van elk bit worden verzonden, hoe effectiever de foutcorrectie kan zijn.

Hetzelfde essentiële principe kan worden toegepast op het toevoegen van redundantie in kwantumbits, of 'qubits'. Maar, Layden zegt, "Als ik een hoge mate van bescherming wil, Ik moet een groot deel van mijn systeem aan dit soort controles besteden. En dit is op dit moment een non-starter omdat we vrij kleine systemen hebben; we hebben gewoon niet de middelen om op de gebruikelijke manier bijzonder nuttige kwantumfoutcorrectie uit te voeren." Dus in plaats daarvan, de onderzoekers vonden een manier om de foutcorrectie zeer nauw te richten op de specifieke soorten ruis die het meest voorkomen.

Het kwantumsysteem waarmee ze werken, bestaat uit koolstofkernen in de buurt van een bepaald soort defect in een diamantkristal dat een stikstof-vacaturecentrum wordt genoemd. Deze defecten gedragen zich als enkele, geïsoleerde elektronen, en hun aanwezigheid maakt de controle over de nabijgelegen koolstofkernen mogelijk.

Maar het team ontdekte dat de overgrote meerderheid van het geluid dat deze kernen aantast, afkomstig was van één enkele bron:willekeurige fluctuaties in de nabijgelegen defecten zelf. Deze geluidsbron kan nauwkeurig worden gemodelleerd, en het onderdrukken van de effecten ervan kan een grote impact hebben, aangezien andere geluidsbronnen relatief onbeduidend zijn.

"We begrijpen eigenlijk heel goed wat de belangrijkste bron van ruis in deze systemen is, "zegt Layden. "Dus we hoeven geen groot net uit te werpen om elk hypothetisch soort geluid op te vangen."

Het team bedacht een andere foutcorrectiestrategie, op maat gemaakt om dit tegen te gaan, dominante geluidsbron. Zoals Layden het beschrijft, het geluid komt van "dit ene centrale defect, of dit ene centrale 'elektron, ' die de neiging heeft om willekeurig rond te huppelen. Het kriebelt."

die nervositeit, beurtelings, wordt gevoeld door al die nabijgelegen kernen, op een voorspelbare manier die kan worden gecorrigeerd.

"Het resultaat van onze aanpak is dat we een vast beschermingsniveau kunnen krijgen met veel minder middelen dan anders nodig zou zijn, " zegt hij. "Met deze gerichte aanpak kunnen we een veel kleiner systeem gebruiken."

Het werk tot nu toe is theoretisch, en het team werkt actief aan een laboratoriumdemonstratie van dit principe in actie. Als het werkt zoals verwacht, dit zou een belangrijk onderdeel kunnen vormen van toekomstige op kwantum gebaseerde technologieën van verschillende soorten, zeggen de onderzoekers, inclusief kwantumcomputers die mogelijk voorheen onoplosbare problemen zouden kunnen oplossen, of kwantumcommunicatiesystemen die immuun kunnen zijn voor snuffelen, of zeer gevoelige sensorsystemen.

"Dit is een onderdeel dat op verschillende manieren kan worden gebruikt, ', zegt Layden. 'Het is alsof we een belangrijk onderdeel van een motor ontwikkelen. We zijn nog ver verwijderd van het bouwen van een volledige auto, maar we hebben vooruitgang geboekt op een cruciaal onderdeel."

"Kwantumfoutcorrectie is de volgende uitdaging voor het veld, " zegt Alexandre Blais, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Sherbrooke, in Canada, die niet bij dit werk betrokken was. "De complexiteit van de huidige kwantumfoutcorrectiecodes is, echter, ontmoedigend omdat ze een zeer groot aantal qubits nodig hebben om kwantuminformatie robuust te coderen."

Blais voegt eraan toe, "We zijn ons nu gaan realiseren dat het exploiteren van ons begrip van de apparaten waarin kwantumfoutcorrectie moet worden geïmplementeerd, zeer voordelig kan zijn. Dit werk levert een belangrijke bijdrage in deze richting door aan te tonen dat een veelvoorkomend type fout kan worden gecorrigeerd in een veel efficiëntere manier dan verwacht. Om kwantumcomputers praktisch te maken, hebben we meer van dit soort ideeën nodig."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.