Een van de belangrijkste obstakels waarmee ontwerpers van kwantumcomputers worden geconfronteerd - het corrigeren van de fouten die in de berekeningen van een processor kruipen - zou kunnen worden overwonnen met een nieuwe benadering door natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST), de Universiteit van Maryland en het California Institute of Technology, die misschien een manier hebben gevonden om kwantumgeheugenschakelaars te ontwerpen die zichzelf zouden corrigeren.

De theorie van het team, die vandaag in het tijdschrift verschijnt Fysieke beoordelingsbrieven , suggereert een eenvoudiger pad om stabiele kwantumbits te maken, of qubits, die normaal gesproken onderhevig zijn aan omgevingsstoringen en fouten. Het vinden van methoden om deze fouten te corrigeren is een groot probleem bij de ontwikkeling van kwantumcomputers, maar de benadering van het onderzoeksteam van qubit-ontwerp zou het probleem kunnen omzeilen.

"Foutcorrectie compliceert een toch al gecompliceerde situatie. Het vereist meestal dat je extra qubits inbouwt en aanvullende metingen doet om de fouten te vinden, dit alles leidt doorgaans tot grote hardware-overhead, " zei eerste auteur Simon Lieu, die werkt bij het Joint Quantum Institute (JQI) en het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science (QuICS), beide samenwerkingen tussen NIST en de Universiteit van Maryland. "Ons schema is passief en autonoom. Al dat extra werk doet het automatisch."

Ontwerpers experimenteren met vele benaderingen voor het bouwen van qubits. Een veelbelovende architectuur wordt een fotonische holteresonator genoemd. Binnen zijn kleine volume, meerdere fotonen kunnen worden aangedreven om heen en weer te kaatsen tussen de reflecterende wanden van de holte. de fotonen, manifesteren hun golfachtige eigenschappen in de holte, combineren om rimpelachtige interferentiepatronen te vormen. De patronen zelf bevatten de informatie van de qubit. Het is een delicate regeling die, als rimpelingen op het oppervlak van een vijver, heeft de neiging om snel te verdwijnen.

Het is ook gemakkelijk verstoord. Werken, qubits hebben rust en stilte nodig. Ruis uit de omgeving, zoals warmte of magnetische velden die worden uitgezonden door andere nabijgelegen componenten, kan het interferentiepatroon verstoren en de berekening verpesten.

In plaats van een uitgebreid systeem te construeren om te detecteren, ruis en fouten meten en compenseren, de teamleden merkten dat als de toevoer van fotonen in de holte constant wordt ververst, de kwantuminformatie van de qubit is bestand tegen bepaalde hoeveelheden en soorten ruis.

Omdat de holte veel fotonen kan bevatten, een qubit omvat een aanzienlijk aantal van hen, enige redundantie inbouwen. In sommige qubit-ontwerpen, het lekken van fotonen naar de omgeving - een veel voorkomend verschijnsel - betekent dat informatie verloren gaat. Maar in plaats van te verdedigen tegen dit soort lekkage, de aanpak van het team omvat het. De resterende fotonen van hun holte zouden het interferentiepatroon lang genoeg in stand houden zodat meer fotonen binnen kunnen komen en de ontbrekende kunnen vervangen.

Een constante stroom van verse fotonen zou ook betekenen dat als sommige fotonen in de holte beschadigd zouden raken door ruis, ze zouden snel genoeg worden weggespoeld zodat de schade niet catastrofaal zou zijn. Het interferentiepatroon kan even wankelen, zoals de rimpelingen van een vijver zouden zijn als een kleine rots erin zou vallen met een verontrustende plons, maar de pulserende bronnen van de rimpelingen zouden consistent blijven, het patroon - en zijn kwantuminformatie - helpen zichzelf snel opnieuw te bevestigen.

"Het is alsof je vers water toevoegt, " zei Lieu. "Elke keer dat de informatie besmet raakt, het feit dat u water naar binnen duwt en uw leidingen dynamisch schoonmaakt, houdt het bestand tegen beschadiging. Deze algemene configuratie zorgt ervoor dat de stabiele toestand sterk blijft."

De aanpak zou de qubits niet bestand maken tegen alle soorten fouten, zei Lie. Sommige storingen zouden nog steeds worden aangemerkt als spatten die te dramatisch zijn om door het systeem te worden verwerkt. In aanvulling, het concept is voornamelijk van toepassing op de fotonische holtes die het team heeft overwogen en zou niet noodzakelijkerwijs helpen om andere toonaangevende qubit-ontwerpen te versterken.

De voorgestelde methode draagt ​​bij aan een arsenaal aan veelbelovende kwantumcomputerfoutcorrectietechnieken, zoals "topologische" qubits, die ook zelfcorrigerend zou zijn, maar waarvoor nog te maken exotische materialen nodig zijn. Hoewel het team verwacht dat de nieuwe aanpak vooral nuttig zal zijn voor kwantumcomputing op basis van microgolffotonen in supergeleidende architecturen, het kan ook toepassingen vinden in computers op basis van optische fotonen.

Het werk van het team bouwt voort op eerdere theoretische en experimentele inspanningen op het gebied van fotonische qubits. Lieu zei dat andere natuurkundigen al de meeste noodzakelijke basis hebben gelegd om het voorstel van het team experimenteel te testen.

"We zijn van plan contact op te nemen met experimentatoren om het idee te testen, " zei hij. "Ze zouden gewoon een paar bestaande ingrediënten moeten samenvoegen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.