Pobody's nerfect - zelfs niet de onverschillige, het berekenen van bits die de basis vormen van computers. Maar JQI Fellow Christopher Monroe's groep, samen met collega's van Duke University, hebben vooruitgang geboekt om ervoor te zorgen dat we de resultaten van kwantumcomputers kunnen vertrouwen, zelfs als ze zijn opgebouwd uit onderdelen die soms falen. Ze hebben in een experiment aangetoond, Voor de eerste keer, dat een assemblage van quantumcomputerstukken beter kan zijn dan de slechtste onderdelen die zijn gebruikt om het te maken. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur op 4 oktober 2021, het team vertelde hoe ze deze mijlpaal naar betrouwbare, praktische kwantumcomputers.

In hun experiment hebben de onderzoekers combineerden verschillende qubits - de kwantumversie van bits - zodat ze samen functioneerden als een enkele eenheid die een logische qubit wordt genoemd. Ze creëerden de logische qubit op basis van een kwantumfoutcorrectiecode, zodat, in tegenstelling tot de individuele fysieke qubits, fouten kunnen eenvoudig worden opgespoord en gecorrigeerd, en ze maakten het fouttolerant - in staat om fouten te bevatten om hun negatieve effecten te minimaliseren.

"Qubits die zijn samengesteld uit identieke atomaire ionen zijn van nature erg schoon van zichzelf, " zegt Monroe, die ook een Fellow is van het Joint Centre for Quantum Information and Computer Science en een College Park Professor in de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Maryland. "Echter, op een gegeven moment, wanneer veel qubits en bewerkingen nodig zijn, fouten moeten verder worden verminderd, en het is eenvoudiger om meer qubits toe te voegen en informatie anders te coderen. Het mooie van foutcorrectiecodes voor atomaire ionen is dat ze zeer efficiënt kunnen zijn en flexibel kunnen worden ingeschakeld via softwarecontroles."

Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat een logische qubit betrouwbaarder is dan de meest foutgevoelige stap die nodig is om het te maken. Het team was in staat om de logische qubit met succes in de startstatus te zetten en 99,4% van de tijd te meten, ondanks het vertrouwen op zes kwantumbewerkingen die naar verwachting slechts ongeveer 98,9% van de tijd zullen werken.

Dat klinkt misschien niet als een groot verschil, maar het is een cruciale stap in de zoektocht om veel grotere kwantumcomputers te bouwen. Als de zes kwantumoperaties lopende bandwerkers waren, elk gericht op één taak, de lopende band zou slechts 93,6% van de tijd de juiste begintoestand produceren (98,9% vermenigvuldigd met zichzelf zes keer) - ongeveer tien keer erger dan de fout gemeten in het experiment. Die verbetering is omdat in het experiment de onvolmaakte stukjes samenwerken om de kans te minimaliseren dat kwantumfouten het resultaat verergeren en verpesten, vergelijkbaar met waakzame werknemers die elkaars fouten opvangen.

De resultaten werden bereikt met behulp van Monroe's ion-trap-systeem bij UMD, die tot 32 afzonderlijk geladen atomen gebruikt - ionen - die worden gekoeld met lasers en over elektroden op een chip worden opgehangen. Vervolgens gebruiken ze elk ion als een qubit door het met lasers te manipuleren.

"We hebben 32 laserstralen, ' zegt Monroe. 'En de atomen zijn als eenden op een rij; elk met een eigen volledig regelbare laserstraal. Ik zie het alsof de atomen een lineaire snaar vormen en we tokkelen erop als een gitaarsnaar. We plukken het met lasers die we programmeerbaar aan- en uitzetten. En dat is de computer; dat is onze centrale verwerkingseenheid."

Door met succes een fouttolerante logische qubit te maken met dit systeem, de onderzoekers hebben aangetoond dat voorzichtig, creatieve ontwerpen hebben het potentieel om quantum computing te ontketenen van de beperkingen van de onvermijdelijke fouten van de huidige stand van de techniek. Fouttolerante logische qubits zijn een manier om de fouten in moderne qubits te omzeilen en kunnen de basis vormen van kwantumcomputers die zowel betrouwbaar als groot genoeg zijn voor praktisch gebruik.

Fouten corrigeren en fouten tolereren

Het ontwikkelen van fouttolerante qubits die in staat zijn tot foutcorrectie is belangrijk omdat de wet van Murphy meedogenloos is:hoe goed je een machine ook bouwt, er gaat uiteindelijk iets mis. Op een computer, elk bit of qubit heeft een kans om af en toe te falen in zijn werk. En de vele qubits die betrokken zijn bij een praktische kwantumcomputer, betekenen dat er veel kansen zijn dat er fouten insluipen.

Gelukkig, ingenieurs kunnen een computer zo ontwerpen dat de onderdelen samenwerken om fouten op te vangen, zoals het bewaren van belangrijke informatie op een extra harde schijf of een tweede persoon uw belangrijke e-mail laten lezen om typefouten op te vangen voordat u deze verzendt. Zowel de mensen als de schijven moeten een fout maken om te overleven. Hoewel het meer werk kost om de taak te voltooien, de redundantie zorgt voor de uiteindelijke kwaliteit.

Sommige gangbare technologieën, zoals mobiele telefoons en hogesnelheidsmodems, gebruiken momenteel foutcorrectie om de kwaliteit van verzendingen te waarborgen en andere ongemakken te voorkomen. Foutcorrectie met behulp van eenvoudige redundantie kan de kans op een onopgemerkte fout verkleinen, zolang uw procedure niet vaker fout dan goed is, bijvoorbeeld, het verzenden of opslaan van gegevens in drievoud en het vertrouwen op de meerderheid van stemmen kan de kans op een fout verkleinen van één op honderd tot minder dan één op duizend.

Dus hoewel perfectie misschien nooit binnen bereik is, foutcorrectie kan de prestaties van een computer zo goed maken als nodig is, zolang je de prijs van het gebruik van extra middelen kunt betalen. Onderzoekers zijn van plan om kwantumfoutcorrectie te gebruiken als aanvulling op hun inspanningen om betere qubits te maken en hen in staat te stellen kwantumcomputers te bouwen zonder alle fouten te hoeven overwinnen waar kwantumapparaten last van hebben.

"Wat is er zo geweldig aan fouttolerantie, is het een recept om kleine onbetrouwbare onderdelen te nemen en ze in een zeer betrouwbaar apparaat te veranderen, " zegt Kenneth Brown, een professor in elektrische en computertechniek aan Duke en een co-auteur van het papier. "En fouttolerante kwantumfoutcorrectie stelt ons in staat om zeer betrouwbare kwantumcomputers te maken van defecte kwantumonderdelen."

Maar kwantumfoutcorrectie heeft unieke uitdagingen:qubits zijn complexer dan traditionele bits en kunnen op meer manieren fout gaan. Je kunt niet zomaar een qubit kopiëren, of zelfs gewoon de waarde ervan controleren in het midden van een berekening. De hele reden waarom qubits voordelig zijn, is dat ze kunnen bestaan ​​in een kwantumsuperpositie van meerdere toestanden en kwantummechanisch met elkaar verstrengeld kunnen raken. Om een ​​qubit te kopiëren, moet je precies weten welke informatie het momenteel opslaat - in fysieke termen moet je het meten. En een meting brengt het in een enkele goed gedefinieerde kwantumtoestand, het vernietigen van elke superpositie of verstrengeling waarop de kwantumberekening is gebaseerd.

Dus voor kwantumfoutcorrectie, je moet fouten corrigeren in bits die je niet mag kopiëren of zelfs maar van te dichtbij mag bekijken. Het is als proeflezen terwijl je geblinddoekt bent. Halverwege de jaren negentig, onderzoekers begonnen manieren voor te stellen om dit te doen met behulp van de subtiliteiten van de kwantummechanica, maar kwantumcomputers bereiken net het punt waarop ze de theorieën op de proef kunnen stellen.

Het belangrijkste idee is om een ​​logische qubit te maken van overtollige fysieke qubits op een manier die kan controleren of de qubits het eens zijn over bepaalde kwantummechanische feiten zonder ooit de staat van een van hen afzonderlijk te kennen.

Kan het atoom niet verbeteren

Er zijn veel voorgestelde kwantumfoutcorrectiecodes om uit te kiezen, en sommige passen natuurlijker bij een bepaalde benadering van het maken van een kwantumcomputer. Elke manier om een ​​kwantumcomputer te maken heeft zijn eigen soorten fouten en unieke sterke punten. Het bouwen van een praktische kwantumcomputer vereist dus begrip van en werken met de specifieke fouten en voordelen die uw aanpak met zich meebrengt.

De op ionenval gebaseerde kwantumcomputer waarmee Monroe en collega's werken, heeft het voordeel dat hun individuele qubits identiek en zeer stabiel zijn. Aangezien de qubits elektrisch geladen ionen zijn, elke qubit kan communiceren met alle andere in de lijn door middel van elektrische duwtjes, vrijheid geven in vergelijking met systemen die een solide verbinding met directe buren nodig hebben.

"Het zijn atomen van een bepaald element en isotoop, dus ze zijn perfect repliceerbaar, "zegt Monroe. "En als je coherentie opslaat in de qubits en je laat ze met rust, het bestaat in wezen voor altijd. Dus de qubit is perfect als hij alleen gelaten wordt. Om gebruik te maken van die qubit, we moeten er met lasers in prikken, we moeten er wat aan doen, we moeten het atoom vasthouden met elektroden in een vacuümkamer, al die technische dingen hebben ruis, en ze kunnen de qubit beïnvloeden."

Voor het systeem van Monroe, de grootste bron van fouten zijn verstrengelingsoperaties - het creëren van kwantumkoppelingen tussen twee qubits met laserpulsen. Verstrengelingsbewerkingen zijn noodzakelijke onderdelen van het bedienen van een kwantumcomputer en het combineren van qubits tot logische qubits. Dus hoewel het team niet kan hopen dat hun logische qubits informatie stabieler opslaan dan de individuele ionenqubits, het corrigeren van de fouten die optreden bij het verstrengelen van qubits is een essentiële verbetering.

De onderzoekers selecteerden de Bacon-Shor-code als een goede match voor de voor- en nadelen van hun systeem. Voor dit project, ze hadden slechts 15 van de 32 ionen nodig die hun systeem kan ondersteunen, en twee van de ionen werden niet als qubits gebruikt, maar waren alleen nodig om een ​​gelijkmatige afstand tussen de andere ionen te krijgen. Voor de code, ze gebruikten negen qubits om een ​​enkele logische qubit redundant te coderen en vier extra qubits om locaties te selecteren waar mogelijke fouten optraden. Met die informatie, de gedetecteerde defecte qubits kunnen, in theorie, worden gecorrigeerd zonder dat de "kwantum-heid" van de qubits wordt aangetast door de toestand van een individuele qubit te meten.

"Het belangrijkste onderdeel van kwantumfoutcorrectie is redundantie, daarom hadden we negen qubits nodig om één logische qubit te krijgen, " zegt JQI-afgestudeerde student Laird Egan, wie is de eerste auteur van het artikel. "Maar die redundantie helpt ons fouten te zoeken en te corrigeren, omdat een fout op een enkele qubit kan worden beschermd door de andere acht."

Het team gebruikte met succes de Bacon-Shor-code met het ionenvalsysteem. De resulterende logische qubit vereiste zes verstrengelingsoperaties, elk met een verwacht foutenpercentage tussen 0,7% en 1,5%. Maar dankzij het zorgvuldige ontwerp van de code, deze fouten leiden niet tot een nog hoger foutenpercentage wanneer de verstrengelingsbewerkingen werden gebruikt om de logische qubit in zijn oorspronkelijke staat voor te bereiden.

Het team constateerde slechts 0,6% van de tijd een fout in de voorbereiding en meting van de qubit - minder dan de laagste verwachte fout voor een van de individuele verstrengelingsoperaties. Het team was vervolgens in staat om de logische qubit naar een tweede staat te verplaatsen met een fout van slechts 0,3%. Het team introduceerde ook opzettelijk fouten en toonde aan dat ze deze konden detecteren.

"Dit is echt een demonstratie van kwantumfoutcorrectie die de prestaties van de onderliggende componenten voor de eerste keer verbetert, ", zegt Egan. "En er is geen reden dat andere platforms niet hetzelfde kunnen doen als ze opschalen. Het is echt een proof of concept dat kwantumfoutcorrectie werkt."

Terwijl het team dit werk voortzet, ze zeggen dat ze hetzelfde succes hopen te behalen bij het bouwen van nog meer uitdagende kwantumlogische poorten uit hun qubits, het uitvoeren van volledige cycli van foutcorrectie waarbij de gedetecteerde fouten actief worden gecorrigeerd, en meerdere logische qubits met elkaar verstrengelen.

"Tot aan deze krant, iedereen is gefocust op het maken van één logische qubit, " zegt Egan. "En nu we er een hebben gemaakt, we zijn als, 'Enkele logische qubits werken, dus wat kun je doen met twee?'"

Naast Monroe, Bruin en Egan, de andere co-auteurs van het artikel zijn de volgende:JQI-onderzoeker Marko Cetina; JQI-afgestudeerde studenten Andrew Risinger, Daiwei Zhu en Debopriyo Biswas; Duke University afgestudeerde natuurkundestudent Dripto M. Debroy; Duke University postdoctorale onderzoekers Crystal Noel en Michael Newman; en Georgia Institute of Technology afgestudeerde student Muyuan Li.