Een grote technische uitdaging voor elke praktische, echte kwantumcomputer komt voort uit de behoefte aan een groot aantal fysieke qubits om fouten op te lossen die zich tijdens de berekening ophopen. Een dergelijke kwantumfoutcorrectie is arbeidsintensief en rekenkundig tijdrovend. Maar onderzoekers hebben een effectieve softwaremethode gevonden die significante compressie van kwantumcircuits mogelijk maakt, versoepeling van de eisen die aan hardware-ontwikkeling worden gesteld.

Kwantumcomputers zijn misschien nog verre van een commerciële realiteit, maar wat 'kwantumvoordeel' wordt genoemd - het vermogen van een kwantumcomputer om honderden of duizenden keren sneller te berekenen dan een klassieke computer - is inderdaad bereikt op zogenaamde Noisy Intermediate-Scale Quantum (NISQ) -apparaten in vroege proof-of-of -principe experimenten.

Helaas, NISQ-apparaten zijn nog steeds gevoelig voor veel fouten die zich tijdens hun werking ophopen. Om een ​​echte toepassing van kwantumvoordeel mogelijk te maken, het ontwerp van een volledig operationele grootschalige kwantumcomputer met een hoge fouttolerantie is vereist. Momenteel, NISQ-apparaten kunnen worden ontworpen met ongeveer 100 qubits, maar fouttolerante computers zouden op zijn minst miljoenen fysieke qubits nodig hebben om de logische informatie met voldoende lage foutenpercentages te coderen. Een fouttolerante implementatie van kwantumcomputercircuits maakt de kwantumcomputer niet alleen groter, maar ook de looptijd langer door ordes van grootte. Een langere runtime zelf betekent op zijn beurt dat de berekening nog gevoeliger is voor fouten.

Hoewel vooruitgang op het gebied van hardware dit tekort aan bronnen kan verhelpen, onderzoekers van het National Institute of Informatics (NII) en Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) in Japan pakten het probleem aan vanuit de kant van de softwareontwikkeling door kwantumcircuits te comprimeren in grootschalige fouttolerante kwantumcomputers, mogelijk de behoefte aan hardwareverbeteringen verminderen.

"Door kwantumcircuits te comprimeren, we kunnen de grootte van de kwantumcomputer en zijn runtime verkleinen, wat op zijn beurt de vereiste voor foutbeveiliging vermindert, " zei Michael Hanks, een onderzoeker bij het NII en een van de auteurs van een paper, gepubliceerd op 11 november in Fysieke beoordeling X .

Grootschalige kwantumcomputerarchitecturen zijn afhankelijk van een foutcorrectiecode om goed te kunnen functioneren, de meest gebruikte daarvan is oppervlaktecode en zijn varianten.

De onderzoekers richtten zich op de circuitcompressie van een van deze varianten:de 3D-topologische code. Deze code gedraagt ​​zich bijzonder goed voor gedistribueerde kwantumcomputerbenaderingen en is breed toepasbaar op verschillende soorten hardware. In de 3D-topologische code, kwantumcircuits zien eruit als verweven buizen of pijpen, en worden gewoonlijk "gevlochten circuits" genoemd. De 3D-diagrammen van gevlochten circuits kunnen worden gemanipuleerd om het volume dat ze innemen te comprimeren en zo te verminderen. Tot nu toe, de uitdaging was dat dergelijke "pijpmanipulatie" op een ad-hocmanier wordt uitgevoerd. Bovendien, er zijn slechts gedeeltelijke regels voor hoe dit te doen.

"Eerdere compressiebenaderingen kunnen niet garanderen of het resulterende kwantumcircuit correct is, " zei co-auteur Marta Estarellas, een onderzoeker bij het NII. "Je moet heel voorzichtig zijn om de juistheid ervan te controleren elke keer dat een van deze compressieregels wordt toegepast. Dit is een belangrijke kwestie, want zo'n taak is net zo moeilijk als het hele kwantumcircuit runnen."

Het onderzoeksteam stelt het gebruik van ZX-calculus voor als taal voor deze tussenfase van compilatie. ZX-calculus is een 2D-diagramtaal (die diagrammen en afbeeldingen gebruikt in plaats van woorden) die eind jaren 2000 is ontwikkeld om een ​​intuïtieve weergave van qubit-processen mogelijk te maken. Belangrijker, het wordt geleverd met een complete set manipulatieregels.

In hun krant de onderzoekers benutten ZX-calculus door de vertaalrelaties tussen ZX-calculus en de componenten van het gevlochten circuit te ontdekken. De onderzoekers hebben aangetoond dat deze twee representaties van logische poortcircuits aan elkaar kunnen worden toegewezen door een nieuwe interpretatie te identificeren die al die tijd verborgen was in ZX-calculus.

De ZX-calculustaal kan een reeks transformatieregels toepassen om de structuur van het circuit te veranderen zonder de onderliggende wiskundige betekenis (en dus de werking ervan) te veranderen en daardoor de correctheid ervan te garanderen. Door die conceptuele structuur zorgvuldig te veranderen, het volume van het circuit kan worden geminimaliseerd, het bereiken van aanzienlijke compressiesnelheden zodra deze nieuwe structuur is toegewezen aan het daadwerkelijke gevlochten kwantumcircuit.

Door deze techniek toe te passen, de onderzoekers rapporteren compressieverminderingen tot 77 procent, gelijk aan een vermindering van 40 procent in vergelijking met de beste eerdere inspanningen.

"De compressiemethode en de verdere ontwikkeling ervan kunnen jaren eerder dan gepland de realisatie van een echte fouttolerante kwantumcomputer opleveren, " zei William J. Munro, een onderzoeker bij NTT, die ook meewerkte aan het onderzoek.

"Interessant, het zou ook de basis kunnen vormen voor de toekomstige ontwikkeling van besturingssystemen, " zei Kae Nemoto, Directeur van het Global Research Center for Quantum Information Science bij NII. "Het kan nog vele jaren duren voordat deze softwareontwikkelingen zijn geïmplementeerd in volledig schaalbare kwantumcomputers, maar onze methode zou in de tussentijd veel moeite kunnen besparen bij het ontwikkelen van hardware."