Wetenschappers in Australië hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om de fouten te verminderen die experimentele kwantumcomputers teisteren; een stap die een kritieke wegversperring zou kunnen verwijderen waardoor ze niet konden opschalen naar volledig werkende machines.

Door gebruik te maken van de oneindige geometrische ruimte van een bepaald kwantumsysteem dat bestaat uit bosonen, de onderzoekers, geleid door Dr. Arne Grimsmo van de Universiteit van Sydney, kwantumfoutcorrectiecodes hebben ontwikkeld die het aantal fysieke kwantumschakelaars moeten verminderen, of qubits, nodig om deze machines tot een bruikbare grootte op te schalen.

"Het mooie van deze codes is dat ze 'platformonafhankelijk' zijn en kunnen worden ontwikkeld om te werken met een breed scala aan kwantumhardwaresystemen, ' zei dokter Grimsmo.

"Veel verschillende soorten bosonische foutcorrectiecodes zijn experimenteel aangetoond, zoals 'kattencodes' en 'binomiale codes', " zei hij. "Wat we in ons document hebben gedaan, is deze en andere codes verenigen in een gemeenschappelijk kader."

Het onderzoek, deze week gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , werd gezamenlijk geschreven met Dr. Joshua Combes van de Universiteit van Queensland en Dr. Ben Baragiola van RMIT University. De samenwerking vindt plaats tussen twee toonaangevende kwantumonderzoekscentra in Australië, het ARC Center of Excellence voor Engineered Quantum Machines en het ARC Center of Excellence voor Quantum Computation and Communication Technology.

Robuuste qubits

"Onze hoop is dat de robuustheid die wordt geboden door 'dingen uit elkaar te plaatsen' in een oneindige Hilbert-ruimte je een qubit geeft die erg robuust is, omdat het veelvoorkomende fouten kan verdragen, zoals fotonverlies, " zei Dr. Grimsmo van het Nano Institute en de School of Physics van de Universiteit van Sydney.

Wetenschappers aan universiteiten en bij technologiebedrijven over de hele wereld werken aan het bouwen van een universeel, fouttolerante kwantumcomputer. De grote belofte van deze apparaten is dat ze kunnen worden gebruikt om problemen op te lossen die buiten het bereik van klassieke supercomputers liggen op uiteenlopende gebieden als materiaalwetenschap, drug discovery en veiligheid en cryptografie.

Toen Google vorig jaar aankondigde dat het een machine heeft die 'quantum suprematie' heeft bereikt - het uitvoeren van een aantoonbaar nutteloze taak maar buiten het bereik van een klassieke computer - blijft de belangstelling voor het gebied van quantum computing en engineering toenemen.

Maar om een ​​kwantummachine te bouwen die iets nuttigs kan doen, zijn er duizenden nodig, zo niet miljoenen kwantumbits die werken zonder overspoeld te worden door fouten.

En qubits zijn, door hun aard, foutgevoelig. Door de 'kwantumiteit' die hen in staat stelt een heel ander type computerbewerking uit te voeren, zijn ze zeer kwetsbaar en vatbaar voor elektromagnetische en andere interferentie.

identificeren, het verwijderen en verminderen van fouten in kwantumberekeningen is een van de centrale taken waarmee natuurkundigen die op dit gebied werken, worden geconfronteerd.

Breekbare superposities

Kwantumcomputers voeren hun taken uit door informatie te coderen met behulp van kwantumsuperpositie - een fundamenteel facet van de natuur waarbij een eindresultaat van een fysiek systeem niet is opgelost totdat het wordt gemeten. Tot dat moment, de informatie bestaat in een staat van meerdere mogelijke uitkomsten.

Dr. Grimsmo zei:"Een van de meest fundamentele uitdagingen voor het realiseren van kwantumcomputers is de fragiele aard van kwantumsuperposities. Gelukkig, het is mogelijk om dit probleem op te lossen met behulp van kwantumfoutcorrectie."

Dit wordt gedaan door informatie redundant te coderen, waardoor de correctie van fouten tijdens een kwantumberekening mogelijk is. De standaardaanpak om dit te bereiken is het gebruik van een groot aantal te onderscheiden deeltjes als informatiedragers. Veelvoorkomende voorbeelden zijn arrays van elektronen, ingesloten ionen of kwantum elektrische circuits.

Echter, hierdoor ontstaat een groot netwerk van 'fysieke qubits' om een ​​enkele, logische qubit die het verwerkingswerk doet dat u nodig heeft.

Deze noodzaak om een ​​groot netwerk van fysieke qubits te creëren om het werk van een enkele werkende qubit te ondersteunen, is een niet-triviale barrière voor het bouwen van grootschalige kwantummachines.

Niet te onderscheiden bosonen

Dr. Grimsmo zei:"In dit werk, we overwegen een alternatieve benadering op basis van het coderen van kwantuminformatie in verzamelingen bosonen." Het meest voorkomende type boson is het foton, een pakketje elektromagnetische energie en massaloos 'lichtdeeltje'.

Door bosonen op te sluiten in een bepaalde microgolf of optische holte, ze zijn niet meer van elkaar te onderscheiden, in tegenstelling tot, zeggen, een reeks ingesloten ionen, die herkenbaar zijn aan hun locatie.

"Het voordeel van deze benadering is dat grote aantallen bosonen kunnen worden opgesloten in een enkel kwantumsysteem, zoals fotonen die zijn opgesloten in een hoogwaardige optische of microgolfholte, "Zei Dr. Grimsmo. "Dit zou het aantal fysieke systemen dat nodig is om een ​​kwantumcomputer te bouwen drastisch kunnen verminderen."

De onderzoekers hopen dat hun fundamentele werk zal helpen bij het bouwen van een routekaart naar fouttolerantie in kwantumcomputers.