Als computers informatie met elkaar delen, de informatie wordt gecodeerd in bits, vervolgens gedecodeerd terug in zijn oorspronkelijke vorm. In het proces, stukjes informatie worden soms vervormd, of verloren. Als een vereenvoudigd voorbeeld, een onjuist gedecodeerde e-mail met de tekst "Ik stuur u nu het geld" kan op de bestemming aankomen met de mededeling "Ik stuur u het geld niet".

Nog een voorbeeld:wanneer u een document op uw computer opslaat, u verwacht dat het dezelfde informatie bevat wanneer u het opnieuw opent. En, als je een computer vraagt ​​om de vergelijking 2+2 op te lossen, je moet erop kunnen vertrouwen dat het uitspuugt 4. Dit is nog belangrijker voor complexe vergelijkingen die je niet zelf kunt berekenen, zoals de waarden voor x, y en z in de Diophantische vergelijking x ³ + ja ³ + z ³ =42.

Bane Vasic, een professor in elektrische en computertechniek en directeur van het Error Correction Laboratory van de University of Arizona College of Engineering, is gespecialiseerd in foutcorrectiecodes, die ervoor zorgen dat de informatie die door computers wordt gedeeld en berekend, correct wordt gedecodeerd voordat ze op hun bestemming aankomen. Hij bestudeert ook fouttolerantie, of het vermogen van een computer of netwerk van computers om te blijven functioneren wanneer een of meer van zijn componenten defect raken.

Vasic heeft een belangrijke rol gespeeld bij het ontwikkelen van een klasse van foutcorrectiecodes, genaamd low-density pariteitscontrolecodes, of LDPC-codes - die veel worden gebruikt in klassieke communicatie en gegevensopslag. In een project gefinancierd door $ 1,1 miljoen van de National Science Foundation, Vasic werkt samen met Saikat Guha in het James C. Wyant College of Optical Sciences om voor het eerst de haalbaarheid van kwantum-LDPC-codes in kwantumcomputers te testen.

Een klassieke techniek toepassen op kwantumnetwerken

terwijl x ³ + ja ³ + z ³ =42 is een complexe vergelijking, het is mogelijk om x op te lossen, y en z met klassieke informatica. In feite, in 2019 gebruikte een groep wetenschappers daarvoor een netwerk van klassieke computers. Het kostte meer dan een miljoen rekenuren. Quantum computing heeft het potentieel om vergelijkingen zoals deze in slechts enkele seconden op te lossen.

"Door kwantumcomputers, we zullen in staat zijn om zeer gecompliceerde fenomenen te analyseren, en om problemen op te lossen die niet door klassieke computers kunnen worden opgelost. En dat gaat heel snel, " zei Vasic. "Er zijn toepassingen in de biologie; medicijn; financiën; de simulatie van fysieke, chemische en biologische systemen; de ontdekking van nieuwe materialen; en het ontwerp van moleculen."

Hoe is dit mogelijk? Klassieke computing slaat informatie op in eenheden die bits worden genoemd, die bestaan ​​als 0s of 1s. Quantum computing maakt gebruik van eenheden die qubits worden genoemd, die in meerdere staten tegelijk kunnen bestaan. De superpositie van staten maakt ultrasnelle, futuristisch computergebruik. Echter, omdat qubits fysiek worden gerealiseerd als subatomaire deeltjes, deze staat is erg kwetsbaar om te creëren en te onderhouden, qubits gevoeliger maken voor fouten, of decoherentie, dan stukjes.

Theoretische natuurkundigen speculeren nu dat qubits ook de ruimte-tijd vormen, of het weefsel van het universum. En recent onderzoek heeft aangetoond dat kwantumfoutcorrectie verklaart waarom ruimte-tijd zo robuust is, ondanks zijn fragiele bouwstenen.

In feite, qubits zijn zo gevoelig dat alleen al het meten ervan voor verandering kan zorgen. momenteel, kwantumfoutcorrectie omvat eerst het zorgvuldig observeren van de qubits en het vastleggen van bevindingen als klassieke informatie. Vervolgens, een klassieke computer berekent wat er mis is, en wetenschappers brengen de foutcorrectie-informatie over naar het kwantumsysteem.

"In dit project, we onderzoeken methoden waarbij we de kwantumwereld niet verlaten, dus alle bewerkingen zullen ook kwantum zijn, "Zei Vasic. "We willen onderzoeken of decodering kan worden gedaan door kwantuminformatie te verwerken."

Berichten doorgeven om ruis te verminderen

De computers van vandaag zijn opgebouwd uit miljarden basisbouwstenen die logische poorten worden genoemd. Deze poorten passen verschillende bewerkingen toe op binaire informatie die wordt verwerkt. Bijvoorbeeld, een van de eenvoudigste soorten poorten is een NIET-poort, die bits in hun tegendeel transformeert door nullen op te nemen en enen uit te voeren en vice versa. Echter, soms zorgen signaalinterferentie en ruis ervoor dat poorten fouten maken, wat tot verkeerde resultaten leidt. Kwantumpoorten voeren meer veelzijdige en exotische operaties uit dan hun klassieke verwanten, maar zijn luidruchtiger en foutgevoeliger.

Foutcorrectiecodes verstrengelen qubits op een zeer specifieke manier zodat qubits elkaar stabiliseren. Met de decoders van Vasic kunnen qubits informatie over elkaar heen en weer doorgeven. Soortgelijke algoritmen voor het doorgeven van berichten worden gebruikt in kunstmatige intelligentie. Geen van de individuele bits heeft een volledige kennis van de waarde van andere bits, maar samen - door het doorgeven van berichten - leren ze collectief of er fouten zijn en precies in welke bits ze zich bevinden. Dit nieuwe project richt zich op het ontwikkelen van een kwantumversie van dergelijke kunstmatige-intelligentiealgoritmen.

"Het grootste voordeel van LDPC-codes is dat ze dit soort algoritmen voor het doorgeven van berichten ondersteunen, die fouttolerant zijn, "Zei Vasic. "In kwantumsystemen, we moeten fouttolerantie hebben, omdat, vanwege het hogere geluidsniveau, kwantumpoorten zijn orden van grootte luidruchtiger en onbetrouwbaarder dan klassieke logische poorten."

Vasic en verschillende andere technische faculteitsleden maken ook deel uit van het nieuw opgerichte Centre for Quantum Networks, een vijfjarige $ 26 miljoen NSF Engineering Research Center onder leiding van de Universiteit van Arizona. Het centrum, geregisseerd door Guha, wil de basis leggen voor het kwantuminternet, en foutcorrectie vormt een cruciaal onderdeel van de onderneming.

"Dit is een ontbrekend stuk om kwantumcomputers en -netwerken te realiseren, "Zei Vasic. "Deze kwantum-LDPC-codes zijn de volgende generatie codes die zullen worden gebruikt, maar we moeten algoritmen ontwikkelen om efficiënt en fouttolerant te decoderen."

"Met de recente aanwerving van verschillende nieuwe faculteitsleden die gespecialiseerd zijn in kwantumtechnologie, de hogeschool en universiteit positioneren zich in de voorhoede van dit veld, " zei David W. Hahn, Craig M. Berge decaan van het College of Engineering. "We hebben het geluk dat onderzoekers zoals Dr. Vasic hun ervaring en onschatbare expertise ter tafel hebben gebracht."