Om een ​​universele kwantumcomputer te bouwen van fragiele kwantumcomponenten, effectieve implementatie van kwantumfoutcorrectie (QEC) is een essentiële vereiste en een centrale uitdaging. QEC wordt gebruikt in kwantumcomputers, die het potentieel heeft om wetenschappelijke problemen op te lossen die verder gaan dan supercomputers, om kwantuminformatie te beschermen tegen fouten als gevolg van verschillende ruis.

Gepubliceerd door het tijdschrift Natuur , onderzoek co-auteur van de Universiteit van Massachusetts Amherst natuurkundige Chen Wang, afgestudeerde studenten Jeffrey Gertler en Shruti Shirol, en postdoctoraal onderzoeker Juliang Li zet een stap in de richting van het bouwen van een fouttolerante kwantumcomputer. Ze hebben een nieuw type QEC gerealiseerd waarbij de kwantumfouten spontaan worden gecorrigeerd.

De computers van vandaag zijn gebouwd met transistors die klassieke bits (0-en of 1-en) vertegenwoordigen. Quantum computing is een opwindend nieuw paradigma van berekening met behulp van kwantumbits (qubits) waarbij kwantumsuperpositie kan worden benut voor exponentiële winsten in verwerkingskracht. Fouttolerante kwantumcomputing kan de ontdekking van nieuwe materialen enorm bevorderen, kunstmatige intelligentie, biochemische technologie en vele andere disciplines.

Omdat qubits intrinsiek kwetsbaar zijn, de grootste uitdaging bij het bouwen van zulke krachtige kwantumcomputers is de efficiënte implementatie van kwantumfoutcorrectie. Bestaande demonstraties van QEC zijn actief, wat betekent dat ze periodiek moeten worden gecontroleerd op fouten en deze onmiddellijk moeten oplossen, wat erg veeleisend is in hardwarebronnen en dus de schaling van kwantumcomputers belemmert.

In tegenstelling tot, het experiment van de onderzoekers bereikt passieve QEC door de wrijving (of dissipatie) die door de qubit wordt ervaren, aan te passen. Omdat wrijving algemeen wordt beschouwd als de aartsvijand van kwantumcoherentie, dit resultaat kan nogal verrassend lijken. De truc is dat de dissipatie specifiek op een kwantummanier moet worden ontworpen. Deze algemene strategie is in theorie al ongeveer twee decennia bekend, maar een praktische manier om een ​​dergelijke dissipatie te verkrijgen en in gebruik te nemen voor QEC was een uitdaging.

"Hoewel ons experiment nog steeds een nogal rudimentaire demonstratie is, we hebben eindelijk deze contra-intuïtieve theoretische mogelijkheid van dissipatieve QEC vervuld, "zegt Chen. "Vooruitkijkend, de implicatie is dat er mogelijk meer mogelijkheden zijn om onze qubits tegen fouten te beschermen en dit goedkoper te doen. Daarom, dit experiment verhoogt de kans op het bouwen van een bruikbare fouttolerante kwantumcomputer op middellange tot lange termijn."

Chen beschrijft in lekentaal hoe vreemd de kwantumwereld kan zijn. "Zoals in het beroemde (of beruchte) voorbeeld van de Duitse natuurkundige Erwin Schrödinger, een kat verpakt in een gesloten doos kan tegelijkertijd dood of levend zijn. Elke logische qubit in onze kwantumprocessor lijkt veel op de kat van een mini-Schrödinger. In feite, we noemen het letterlijk een `kattenqubit'. Het hebben van veel van dergelijke katten kan ons helpen enkele van 's werelds moeilijkste problemen op te lossen.

"Helaas, het is erg moeilijk om een ​​kat zo te houden, aangezien elk gas, licht, of iets dat in de doos lekt, zal de magie vernietigen:de kat wordt dood of gewoon een gewone levende kat, " legt Chen uit. "De meest eenvoudige strategie om de kat van een Schrödinger te beschermen, is om de doos zo strak mogelijk te maken, maar dat maakt het ook moeilijker om het te gebruiken voor berekeningen. Wat we zojuist hebben gedemonstreerd, was vergelijkbaar met het op een speciale manier schilderen van de binnenkant van de doos en dat helpt de kat op de een of andere manier om de onvermijdelijke schade van de buitenwereld beter te overleven."