Natuurkundigen van Yale hebben een foutcorrigerende kat ontwikkeld - een nieuw apparaat dat het Schrödinger's kattenconcept van superpositie (een fysiek systeem dat in twee toestanden tegelijk bestaat) combineert met de mogelijkheid om enkele van de lastigste fouten in een kwantumberekening te herstellen.

Het is Yale's nieuwste doorbraak in de poging om de fysica die nodig is voor een bruikbare kwantumcomputer onder de knie te krijgen en te manipuleren:het corrigeren van de stroom fouten die opduiken tussen fragiele stukjes kwantuminformatie, qubits genoemd, tijdens het uitvoeren van een taak.

Een nieuwe studie die over de ontdekking rapporteert, verschijnt in het tijdschrift Natuur . De hoofdauteur is Michel Devoret, Yale's FW Beinecke hoogleraar toegepaste natuurkunde en natuurkunde. De co-eerste auteurs van de studie zijn Alexander Grimm, een voormalig postdoctoraal medewerker in het laboratorium van Devoret die nu een tenure-track wetenschapper is aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland, en Nicolaas Frattini, een afgestudeerde student in het laboratorium van Devoret.

Quantumcomputers hebben het potentieel om een ​​scala aan industrieën te transformeren, van geneesmiddelen tot financiële diensten, door berekeningen mogelijk te maken die orden van grootte sneller zijn dan de huidige supercomputers.

Yale - geleid door Devoret, Robert Scheelkopf, en Steven Girvin - bouwt voort op twee decennia van baanbrekend kwantumonderzoek. Yale's benadering van het bouwen van een kwantumcomputer wordt "circuit QED" genoemd en maakt gebruik van deeltjes microgolflicht (fotonen) in een supergeleidende microgolfresonator.

Op een traditionele computer informatie wordt gecodeerd als 0 of 1. De enige fouten die tijdens berekeningen naar voren komen, zijn "bit-flips, " wanneer een stukje informatie per ongeluk van 0 naar 1 verandert of omgekeerd. De manier om dit te corrigeren is door redundantie in te bouwen:drie "fysieke" stukjes informatie gebruiken om één "effectief" - of nauwkeurig - bit te garanderen.

In tegenstelling tot, kwantuminformatiebits - qubits - zijn onderhevig aan zowel bit-flips als "phase-flips, " waarin een qubit willekeurig wisselt tussen kwantumsuperposities (wanneer twee tegengestelde toestanden tegelijkertijd bestaan).

Tot nu, kwantumonderzoekers hebben geprobeerd fouten te herstellen door meer redundantie toe te voegen, waarvoor een overvloed aan fysieke qubits nodig is voor elke effectieve qubit.

Voer de kattenqubit in - genoemd naar de kat van Schrödinger, de beroemde paradox die wordt gebruikt om het concept van superpositie te illustreren.

Het idee is dat een kat in een afgesloten doos wordt geplaatst met een radioactieve bron en een gif dat wordt geactiveerd als een atoom van de radioactieve stof vergaat. De superpositietheorie van de kwantumfysica suggereert dat totdat iemand de doos opent, de kat is zowel levend als dood, een superpositie van staten. Als je de doos opent om de kat te observeren, verandert deze abrupt zijn kwantumtoestand willekeurig, dwingen om ofwel levend of dood te zijn.

"Ons werk vloeit voort uit een nieuw idee. Waarom gebruiken we niet een slimme manier om informatie in één fysiek systeem te coderen, zodat één type fout direct wordt onderdrukt?" vroeg Devoret.

In tegenstelling tot de meerdere fysieke qubits die nodig zijn om één effectieve qubit te behouden, een enkele kat-qubit kan op zichzelf fase-flips voorkomen. De kat-qubit codeert een effectieve qubit in superposities van twee toestanden binnen een enkel elektronisch circuit - in dit geval een supergeleidende microgolfresonator waarvan de oscillaties overeenkomen met de twee toestanden van de kat-qubit.

"We bereiken dit allemaal door microgolffrequentiesignalen toe te passen op een apparaat dat niet significant ingewikkelder is dan een traditionele supergeleidende qubit, ' zei Grimm.

De onderzoekers zeiden dat ze hun kattenqubit kunnen veranderen van een van zijn superpositietoestanden naar een andere superpositietoestand, op commando. In aanvulling, de onderzoekers ontwikkelden een nieuwe manier om de informatie die in de qubit is gecodeerd, uit te lezen of te identificeren.

"Dit maakt het systeem dat we hebben ontwikkeld tot een veelzijdig nieuw element dat hopelijk zijn gebruik zal vinden in veel aspecten van kwantumberekening met supergeleidende circuits, ' zei Devoret.