Quantumcomputers zouden bij veel taken beter kunnen presteren dan klassieke computers, maar alleen als de fouten die een onvermijdelijk onderdeel zijn van rekentaken geïsoleerd zijn in plaats van wijdverbreide gebeurtenissen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben bewijs gevonden dat fouten gecorreleerd zijn over een hele supergeleidende kwantumcomputerchip, wat een probleem benadrukt dat moet worden erkend en aangepakt in de zoektocht naar fouttolerante kwantumcomputers.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in een studie die op 16 juni in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur , belangrijk, hun werk wijst ook op mitigatiestrategieën.

"Ik denk dat mensen het probleem van foutcorrectie op een te optimistische manier hebben benaderd, blindelings aannemen dat fouten niet gecorreleerd zijn, " zegt UW-Madison natuurkunde professor Robert McDermott, senior auteur van de studie. "Onze experimenten tonen absoluut aan dat fouten gecorreleerd zijn, maar als we problemen identificeren en een diep fysiek begrip ontwikkelen, we gaan manieren vinden om ze te omzeilen."

De bits in een klassieke computer kunnen een 1 of een 0 zijn, maar de qubits in een kwantumcomputer kunnen 1, zijn 0, of een willekeurig mengsel - een superpositie - van 1 en 0. Klassieke bits, dan, kan alleen bitflip-fouten maken, zoals wanneer een 1 verandert in 0. Qubits, echter, kan twee soorten fouten maken:bitflips of faseflips, waar een kwantumsuperpositietoestand verandert.

Om fouten te herstellen, computers moeten ze controleren terwijl ze gebeuren. Maar de wetten van de kwantumfysica zeggen dat er slechts één fouttype tegelijk kan worden gecontroleerd in een enkele qubit, dus is een slim foutcorrectieprotocol voorgesteld, de oppervlaktecode genaamd. De oppervlaktecode omvat een groot aantal verbonden qubits - sommige doen het rekenwerk, terwijl andere worden gecontroleerd om fouten in de rekenqubits af te leiden. Echter, het Surface Code-protocol werkt alleen betrouwbaar als gebeurtenissen die fouten veroorzaken worden geïsoleerd, invloed op hoogstens enkele qubits.

Bij eerdere experimenten is De groep van McDermott had aanwijzingen gezien dat iets ervoor zorgde dat meerdere qubits tegelijkertijd omdraaiden. In deze nieuwe studie ze vroegen direct:zijn deze flips onafhankelijk, of zijn ze gecorreleerd?

Het onderzoeksteam ontwierp een chip met vier qubits gemaakt van de supergeleidende elementen niobium en aluminium. De wetenschappers koelen de chip af tot bijna het absolute nulpunt, waardoor het supergeleidend is en het beschermt tegen foutveroorzakende interferentie van de buitenomgeving.

Om te beoordelen of qubit-flips gecorreleerd waren, de onderzoekers maten fluctuaties in de offset-lading voor alle vier de qubits. De fluctuerende offset-lading is in feite een verandering in het elektrische veld bij de qubit.

Het team observeerde lange perioden van relatieve stabiliteit, gevolgd door plotselinge sprongen in offsetlading. Hoe dichter twee qubits bij elkaar waren, hoe groter de kans dat ze tegelijkertijd zouden springen. Deze plotselinge veranderingen werden hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door kosmische straling of achtergrondstraling in het laboratorium, die beide geladen deeltjes afgeven. Wanneer een van deze deeltjes de chip raakt, het maakt kosten vrij die van invloed zijn op nabijgelegen qubits.

Dit lokale effect kan eenvoudig worden verzacht met eenvoudige ontwerpwijzigingen. De grotere zorg is wat er daarna zou kunnen gebeuren.

"Als ons model over de impact van deeltjes correct is, dan zouden we verwachten dat de meeste energie wordt omgezet in trillingen in de chip die zich over lange afstanden voortplanten, " zegt Chris Wilen, een afgestudeerde student en hoofdauteur van de studie. "Als de energie zich verspreidt, de storing zou leiden tot qubit-flips die over de hele chip gecorreleerd zijn."

In hun volgende reeks experimenten, dat effect is precies wat ze zagen. Ze maten ladingssprongen in één qubit, zoals in de eerdere experimenten, gebruikte vervolgens de timing van deze sprongen om metingen van de kwantumtoestanden van twee andere qubits op elkaar af te stemmen. Die twee qubits moeten altijd de computationele 1-status hebben. Toch ontdekten de onderzoekers dat elke keer dat ze een lading in de eerste qubit zagen springen, de andere twee - ongeacht hoe ver weg op de chip - sprongen snel van de computationele 1-status naar de 0-status.

"Het is een langetermijneffect, en het is echt schadelijk, " Zegt Wilen. "Het vernietigt de kwantuminformatie die is opgeslagen in qubits."

Hoewel dit werk kan worden gezien als een tegenslag in de ontwikkeling van supergeleidende kwantumcomputers, de onderzoekers geloven dat hun resultaten nieuw onderzoek naar dit probleem zullen leiden. Groepen bij UW-Madison werken al aan mitigatiestrategieën.

"Naarmate we dichter bij het uiteindelijke doel van een fouttolerante kwantumcomputer komen, we gaan het ene nieuwe probleem na het andere identificeren, " zegt McDermott. "Dit is slechts een deel van het proces om meer over het systeem te leren, het bieden van een pad naar de implementatie van meer veerkrachtige ontwerpen."