Ongeacht wat de ingewanden van een kwantumcomputer vormen, de snelle berekeningen komen allemaal neer op reeksen van eenvoudige instructies die worden toegepast op qubits - de basiseenheden van informatie in een kwantumcomputer.

Of die computer nu is opgebouwd uit ketens van ionen, kruispunten van supergeleiders, of siliciumchips, het blijkt dat een handvol eenvoudige handelingen, die slechts één of twee qubits tegelijk beïnvloeden, kan mixen en matchen om elk kwantumcomputerprogramma te maken - een functie die een bepaald handvol 'universeel' maakt. Wetenschappers noemen deze eenvoudige operaties kwantumpoorten, en ze hebben jaren besteed aan het optimaliseren van de manier waarop poorten in elkaar passen. Ze hebben het aantal poorten (en qubits) dat nodig is voor een bepaalde berekening teruggebracht en ontdekt hoe ze dit allemaal kunnen doen, terwijl ze ervoor zorgen dat er geen fouten binnensluipen en een storing veroorzaken.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van JQI hebben manieren ontdekt om robuuste, foutbestendige poorten die slechts een constant aantal eenvoudige bouwstenen gebruiken, waardoor in wezen de best mogelijke reductie wordt bereikt in een parameter die circuitdiepte wordt genoemd. Hun bevindingen, die van toepassing zijn op kwantumcomputers op basis van topologische kwantumfoutcorrectiecodes, werden gerapporteerd in twee artikelen die onlangs in de tijdschriften zijn gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven en Fysieke beoordeling B , en verder uitgewerkt in een derde paper dat eerder in het tijdschrift werd gepubliceerd Quantum.

Circuitdiepte telt het aantal poorten dat van invloed is op elke qubit, en een constante diepte betekent dat het aantal poorten dat nodig is voor een bepaalde operatie niet zal toenemen naarmate de computer groeit - een noodzaak om fouten op afstand te houden. Dit is een veelbelovende functie voor robuuste en universele kwantumcomputers, zegt Maissam Barkeshli, een JQI Fellow en een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Maryland (UMD).

"We hebben ontdekt dat een enorme klasse van operaties in topologische toestanden van materie en topologische foutcorrigerende codes kunnen worden geïmplementeerd via unitaire circuits met constante diepte, " zegt Barkeshli, die ook lid is van het Condensed Matter Theory Center aan de UMD.

In tegenstelling tot andere soorten kwantumcomputers, kwantumcomputers die bovenop topologische foutcorrectie zijn gebouwd - die tot nu toe alleen theoretisch zijn bestudeerd - slaan geen informatie op in individuele fysieke qubits. In plaats daarvan, ze smeren de informatie van een enkele qubit uit in een netwerk van vele qubits - of, exotischer, over speciale topologische materialen.

Deze informatieversmering biedt weerstand tegen verdwaalde lichtdeeltjes of kleine trillingen - kwantumverstoringen die fouten kunnen veroorzaken - en maakt het mogelijk kleine fouten te detecteren en vervolgens actief te corrigeren tijdens een berekening. Het is een van de belangrijkste voordelen die kwantumcomputers op basis van topologische foutcorrectie bieden. Maar het voordeel heeft een prijs:als ruis niet gemakkelijk bij de informatie kan komen, jij ook niet.

Tot nu toe leek het erop dat het bedienen van zo'n kwantumcomputer weinig, opeenvolgende wijzigingen in het netwerk waarin de informatie wordt opgeslagen, vaak afgebeeld als een raster of rooster in twee dimensies. Op tijd, deze kleine veranderingen tellen op en verplaatsen effectief een gebied van het rooster in een lus rond een ander gebied, waardoor het netwerk er hetzelfde uitziet als toen het begon.

Deze transformaties van het netwerk staan ​​bekend als vlechten omdat de patronen die ze in ruimte en tijd uittekenen eruitzien als gevlochten haar of een gevlochten brood. Stel je voor dat je snapshots van het netwerk opstapelt als pannenkoeken, ze zullen stap voor stap een abstracte vlecht vormen. Afhankelijk van de onderliggende fysica van het netwerk, inclusief de soorten deeltjes, belde iedereen, die erop kunnen rondspringen - deze vlechten kunnen genoeg zijn om elk kwantumprogramma uit te voeren.

In het nieuwe werk de auteurs toonden aan dat vlechten bijna onmiddellijk kan worden bereikt. Voorbij zijn de geknoopte diagrammen, vervangen door in-situ herschikkingen van het netwerk.

"Het was een soort leerboekdogma dat deze vlechten alleen adiabatisch of heel langzaam kunnen worden gedaan om te voorkomen dat er fouten in het proces ontstaan, " zegt Guanyu Zhu, een voormalig JQI-postdoctoraal onderzoeker die momenteel onderzoeksstaflid is bij het IBM Thomas J. Watson Research Center. "Echter, in dit werk, realiseerden we ons dat in plaats van langzaam bewegende regio's met iedereen om elkaar heen, we kunnen de ruimte ertussen gewoon in een constant aantal stappen uitrekken of persen."

Het nieuwe recept vereist twee ingrediënten. Een daarvan is de mogelijkheid om lokale wijzigingen aan te brengen die de interacties tussen de fysieke qubits waaruit het netwerk bestaat opnieuw configureren. Dit deel verschilt niet veel van wat gewoon vlechten vereist, maar er wordt aangenomen dat het parallel gebeurt over het gebied dat wordt gevlochten. Het tweede ingrediënt is de mogelijkheid om de informatie uit te wisselen over fysieke qubits die niet dicht bij elkaar liggen, mogelijk zelfs in tegenovergestelde hoeken van het vlechtgebied.

Deze tweede vereiste is een grote vraag naar wat kwantumcomputerhardware, maar de auteurs zeggen dat er systemen zijn die dit natuurlijk zouden kunnen ondersteunen.

"Een verscheidenheid aan experimentele platforms met langeafstandsconnectiviteit zou ons schema kunnen ondersteunen, inclusief ionenvallen, circuit QED-systemen met lange transmissielijnresonatoren, modulaire architecturen met supergeleidende holtes, en silicium fotonische apparaten, ", zegt Zhu. "Of je kunt je voorstellen dat je platforms gebruikt met verplaatsbare qubits. Denk aan platforms als vloeibare kwantumcomputers, waar qubits vrij rond kunnen stromen via klassieke beweging."

In de krant Fysieke beoordelingsbrieven , de auteurs gaven expliciete instructies voor het bereiken van hun onmiddellijke vlechten in een bepaalde klasse van topologische kwantumcodes. In de Fysieke beoordeling B en Quantum papieren, ze breidden dit resultaat uit naar een meer algemene setting en onderzochten zelfs hoe het van toepassing zou zijn op een topologische code in hyperbolische ruimte (waar, aanvullend, het toevoegen van een nieuwe uitgesmeerde qubit vereist het toevoegen van slechts een constant aantal fysieke qubits aan het netwerk).

De auteurs hebben nog niet uitgewerkt hoe hun nieuwe vlechttechnieken zullen aansluiten bij de extra doelen van het opsporen en corrigeren van fouten; dat blijft een open probleem voor toekomstig onderzoek.

"We hopen dat onze resultaten uiteindelijk nuttig kunnen zijn voor het vaststellen van de mogelijkheid van fouttolerante kwantumberekening met constante ruimte-tijdoverhead, ' zegt Barkeshli.