Een pagina lenen uit hoge-energie natuurkunde en astronomie leerboeken, een team van natuurkundigen en computerwetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft met succes een algemene foutreductietechniek aangepast en toegepast op het gebied van quantum computing.

In de wereld van subatomaire deeltjes en gigantische deeltjesdetectoren, en verre sterrenstelsels en gigantische telescopen, wetenschappers hebben geleerd te leven, en aan het werk, met onzekerheid. Ze proberen vaak ultra-zeldzame deeltjesinteracties uit een enorme wirwar van andere deeltjesinteracties en achtergrondgeluiden te halen die hun jacht kunnen bemoeilijken. of proberen de effecten van atmosferische vervormingen en interstellair stof uit te filteren om de resolutie van astronomische beeldvorming te verbeteren.

Ook, inherente problemen met detectoren, zoals met hun vermogen om alle deeltjesinteracties vast te leggen of om de energieën van deeltjes precies te meten, kan ertoe leiden dat gegevens verkeerd worden gelezen door de elektronica waarmee ze zijn verbonden, dus wetenschappers moeten complexe filters ontwerpen, in de vorm van computeralgoritmen, om de foutenmarge te verkleinen en de meest nauwkeurige resultaten te retourneren.

De problemen van lawaai en fysieke gebreken, en de behoefte aan algoritmen voor foutcorrectie en foutbeperking, die de frequentie en ernst van fouten verminderen, zijn ook gebruikelijk in het jonge veld van quantum computing, en een studie gepubliceerd in het tijdschrift npj Quantum-informatie ontdekte dat er enkele gemeenschappelijke oplossingen lijken te zijn, te.

Ben Nachman, een Berkeley Lab-fysicus die betrokken is bij deeltjesfysica-experimenten bij CERN als lid van de ATLAS-groep van Berkeley Lab, zag de kwantumcomputerverbinding tijdens het werken aan een deeltjesfysica-berekening met Christian Bauer, een theoretisch fysicus van Berkeley Lab die co-auteur is van de studie. ATLAS is een van de vier gigantische deeltjesdetectoren bij CERN's Large Hadron Collider, de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld.

"Bij Atlas, we moeten vaak 'ontvouwen, ' of corrigeer voor detectoreffecten, " zei Nachman, hoofdauteur van de studie. "Mensen zijn deze techniek al jaren aan het ontwikkelen."

In experimenten bij de LHC, deeltjes genaamd protonen botsen met een snelheid van ongeveer 1 miljard keer per seconde. Om het hoofd te bieden aan deze ongelooflijk drukke, "lawaaierige" omgeving en intrinsieke problemen met betrekking tot de energieresolutie en andere factoren die verband houden met detectoren, natuurkundigen gebruiken foutcorrigerende "ontvouwings"-technieken en andere filters om deze wirwar van deeltjes tot de meest bruikbare, nauwkeurige gegevens.

"We realiseerden ons dat de huidige kwantumcomputers erg veel lawaai maken, te, "Nachman zei, dus het vinden van een manier om deze ruis te verminderen en fouten te minimaliseren - foutbeperking - is een sleutel tot het bevorderen van kwantumcomputing. "Eén soort fout is gerelateerd aan de daadwerkelijke bewerkingen die u uitvoert, en een heeft betrekking op het uitlezen van de toestand van de kwantumcomputer, " merkte hij op - die eerste soort staat bekend als een poortfout, en dit laatste wordt een uitleesfout genoemd.

De laatste studie richt zich op een techniek om uitleesfouten te verminderen, genaamd "iteratieve Bayesiaanse ontvouwing" (IBU), die bekend is bij de gemeenschap van hoge-energiefysica. De studie vergelijkt de effectiviteit van deze aanpak met andere foutcorrectie- en mitigatietechnieken. De IBU-methode is gebaseerd op de stelling van Bayes, die een wiskundige manier biedt om de kans te vinden dat een gebeurtenis plaatsvindt wanneer er andere omstandigheden zijn die al bekend zijn met deze gebeurtenis.

Nachman merkte op dat deze techniek kan worden toegepast op de kwantumanaloog van klassieke computers, bekend als universele op poorten gebaseerde kwantumcomputers.

Bij kwantumcomputers, die afhankelijk is van kwantumbits, of qubits, informatie te dragen, de fragiele toestand die bekend staat als kwantumsuperpositie is moeilijk te handhaven en kan na verloop van tijd vervallen, waardoor een qubit een nul weergeeft in plaats van een één - dit is een veelvoorkomend voorbeeld van een uitleesfout.

Superpositie zorgt ervoor dat een kwantumbit een nul kan vertegenwoordigen, een een, of beide hoeveelheden tegelijk. Dit maakt unieke computermogelijkheden mogelijk die niet mogelijk zijn in conventioneel computergebruik, die afhankelijk zijn van bits die ofwel een één of een nul vertegenwoordigen, maar niet allebei tegelijk. Een andere bron van uitleesfouten in kwantumcomputers is simpelweg een foutieve meting van de toestand van een qubit vanwege de architectuur van de computer.

In de studie, onderzoekers simuleerden een kwantumcomputer om de prestaties van drie verschillende technieken voor foutcorrectie (of foutbeperking of ontvouwing) te vergelijken. Ze ontdekten dat de IBU-methode robuuster is in een zeer luidruchtige, foutgevoelige omgeving, en presteerde iets beter dan de andere twee in de aanwezigheid van meer algemene ruispatronen. De prestaties werden vergeleken met een foutcorrectiemethode genaamd Ignis die deel uitmaakt van een verzameling open-source softwareontwikkelingstools voor kwantumcomputers die zijn ontwikkeld voor IBM's kwantumcomputers. en een zeer basale vorm van ontvouwen die bekend staat als de matrixinversiemethode.

De onderzoekers gebruikten de gesimuleerde kwantumcomputeromgeving om meer dan 1 te produceren. 000 pseudo-experimenten, en ze ontdekten dat de resultaten voor de IBU-methode het dichtst bij voorspellingen lagen. De ruismodellen die voor deze analyse zijn gebruikt, zijn gemeten op een 20-qubit kwantumcomputer genaamd IBM Q Johannesburg.

"We namen een veelgebruikte techniek uit de hoge-energiefysica, en toegepast op quantum computing, en het werkte heel goed - zoals het zou moeten, "Zei Nachman. Er was een steile leercurve. "Ik moest allerlei dingen leren over kwantumcomputing om er zeker van te zijn dat ik wist hoe ik dit moest vertalen en implementeren op een kwantumcomputer."

Hij zei dat hij ook zeer gelukkig was om medewerkers voor de studie te vinden met expertise in kwantumcomputing bij Berkeley Lab, waaronder Bert de Jong, die een DOE Office of Advanced Scientific Computing Research Quantum Algorithms Team leidt en een Accelerated Research for Quantum Computing-project in de Computational Research Division van Berkeley Lab.

"Het is opwindend om te zien hoe de overvloed aan kennis die de high-energy physics-gemeenschap heeft ontwikkeld om het meeste uit lawaaierige experimenten te halen, kan worden gebruikt om meer uit lawaaierige kwantumcomputers te halen, ' zei de Jong.

De gesimuleerde en echte kwantumcomputers die in het onderzoek werden gebruikt, varieerden van vijf qubits tot 20 qubits, en de techniek moet schaalbaar zijn naar grotere systemen, zei Nachman. Maar de technieken voor foutcorrectie en foutbeperking die de onderzoekers hebben getest, zullen meer computerbronnen nodig hebben naarmate de grootte van kwantumcomputers toeneemt, dus Nachman zei dat het team zich richt op het beter beheersbaar maken van de methoden voor kwantumcomputers met grotere qubit-arrays.

Nachman, Bauer, en de Jong nam ook deel aan een eerdere studie die een manier voorstelt om poortfouten te verminderen, wat de andere belangrijke bron van kwantumcomputerfouten is. Ze zijn van mening dat foutcorrectie en foutbeperking in kwantumcomputing uiteindelijk een mix-and-match-aanpak kan vereisen, waarbij een combinatie van verschillende technieken wordt gebruikt.

"Het is een spannende tijd, "Nachman zei, aangezien het gebied van quantum computing nog jong is en er volop ruimte is voor innovatie. "Mensen hebben in ieder geval de boodschap gekregen over dit soort benaderingen, en er is nog steeds ruimte voor vooruitgang." Hij merkte op dat kwantumcomputing een "push gaf om op een nieuwe manier over problemen te denken, " toevoegen, "Het heeft nieuwe wetenschappelijke mogelijkheden geopend."