Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontdekt voor het corrigeren van fouten in de berekeningen van kwantumcomputers, waardoor mogelijk een groot obstakel voor een krachtig nieuw computergebied wordt weggenomen.

In conventionele computers is het herstellen van fouten een goed ontwikkeld gebied. Elke mobiele telefoon vereist controles en reparaties om gegevens te verzenden en ontvangen via rommelige ether. Kwantumcomputers bieden een enorm potentieel om bepaalde complexe problemen op te lossen die voor conventionele computers onmogelijk zijn, maar deze kracht hangt af van het gebruik van extreem vluchtige gedragingen van subatomaire deeltjes. Dit computergedrag is zo kortstondig dat zelfs als je ernaar kijkt om op fouten te controleren, het hele systeem kan instorten.

In een paper waarin een nieuwe theorie voor foutcorrectie wordt geschetst, gepubliceerd op 9 augustus in Nature Communications , toonde een interdisciplinair team onder leiding van Jeff Thompson, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan Princeton, en medewerkers Yue Wu en Shruti Puri aan de Yale University en Shimon Kolkowitz aan de University of Wisconsin-Madison, aan dat ze de tolerantie voor fouten en het verminderen van de hoeveelheid overtollige informatie die nodig is om fouten te isoleren en op te lossen. De nieuwe techniek verviervoudigt het acceptabele foutenpercentage, van 1% naar 4%, wat praktisch is voor kwantumcomputers die momenteel in ontwikkeling zijn.

"De fundamentele uitdaging voor kwantumcomputers is dat de bewerkingen die je wilt uitvoeren luidruchtig zijn", zegt Thompson, wat betekent dat berekeningen vatbaar zijn voor talloze faalwijzen.

Op een conventionele computer kan een fout zo simpel zijn als een beetje geheugen dat per ongeluk van een 1 naar een 0 gaat, of zo rommelig als een draadloze router die interfereert met een andere. Een gebruikelijke benadering voor het afhandelen van dergelijke fouten is het inbouwen van enige redundantie, zodat elk stuk gegevens wordt vergeleken met dubbele kopieën. Die aanpak vergroot echter de hoeveelheid data die nodig is en creëert meer kans op fouten. Daarom werkt het alleen als de overgrote meerderheid van de informatie al correct is. Anders leidt het vergelijken van verkeerde gegevens met verkeerde gegevens tot diepere fouten.

"Als uw basislijnfoutenpercentage te hoog is, is redundantie een slechte strategie", zei Thompson. "Onder die drempel komen is de grootste uitdaging."

In plaats van zich alleen te concentreren op het verminderen van het aantal fouten, maakte het team van Thompson fouten in wezen zichtbaarder. Het team is diep in de feitelijke fysieke oorzaken van fouten gedoken en heeft hun systeem zo ontworpen dat de meest voorkomende bron van fouten de beschadigde gegevens effectief elimineert, in plaats van alleen maar corrumpeert. Thompson zei dat dit gedrag een bepaald soort fout vertegenwoordigt die bekend staat als een "wisfout", die fundamenteel gemakkelijker te verwijderen is dan gegevens die beschadigd zijn, maar er nog steeds uitzien als alle andere gegevens.

Als op een conventionele computer een pakket met zogenaamd redundante informatie overkomt als 11001, kan het riskant zijn om aan te nemen dat de iets meer voorkomende enen correct zijn en de nullen verkeerd. Maar als de informatie overkomt als 11XX1, waar de beschadigde bits duidelijk zijn, is de zaak overtuigender.

"Deze wisfouten zijn veel gemakkelijker te corrigeren omdat je weet waar ze zijn," zei Thompson. "Ze kunnen worden uitgesloten van de meerderheid van stemmen. Dat is een enorm voordeel."

Uitwissingsfouten worden goed begrepen in conventionele informatica, maar onderzoekers hadden niet eerder overwogen om kwantumcomputers te ontwikkelen om fouten om te zetten in uitwissingen, zei Thompson.

In de praktijk zou hun voorgestelde systeem bestand zijn tegen een foutenpercentage van 4,1%, wat volgens Thompson ruim binnen de mogelijkheden ligt voor de huidige kwantumcomputers. In eerdere systemen kon de state-of-the-art foutcorrectie minder dan 1% fout verwerken, wat volgens Thompson aan de rand staat van de mogelijkheden van elk huidig ​​kwantumsysteem met een groot aantal qubits.

Het vermogen van het team om wisfouten te genereren bleek een onverwacht voordeel te zijn van een keuze die Thompson jaren geleden maakte. Zijn onderzoek verkent 'neutrale atoomqubits', waarin kwantuminformatie (een 'qubit') is opgeslagen in een enkel atoom. Ze pionierden met het gebruik van het element ytterbium voor dit doel. Thompson zei dat de groep ytterbium koos, deels omdat het twee elektronen heeft in de buitenste laag elektronen, in vergelijking met de meeste andere neutrale atoomqubits, die er maar één hebben.

"Ik zie het als een Zwitsers zakmes, en dit ytterbium is het grotere, dikkere Zwitserse zakmes," zei Thompson. "Dat extra beetje complexiteit dat je krijgt door twee elektronen te hebben, geeft je veel unieke tools."

Eén gebruik van die extra tools bleek nuttig om fouten te elimineren. Het team stelde voor om de elektronen in ytterbium en van hun stabiele "grondtoestand" naar opgewonden toestanden te pompen die "metastabiele toestanden" worden genoemd, die onder de juiste omstandigheden lang kunnen bestaan, maar inherent kwetsbaar zijn. Contra-intuïtief stellen de onderzoekers voor om deze toestanden te gebruiken om de kwantuminformatie te coderen.

"Het is alsof de elektronen op een slap koord zitten", zei Thompson. En het systeem is zo ontworpen dat dezelfde factoren die fouten veroorzaken er ook voor zorgen dat de elektronen van het slappe koord vallen.

Als een bonus, als ze eenmaal in de grondtoestand vallen, verstrooien de elektronen het licht op een zeer zichtbare manier, dus als een licht op een verzameling ytterbium-qubits schijnt, zorgen ervoor dat alleen de defecte oplichten. Degenen die oplichten, moeten worden afgeschreven als fouten.

Deze vooruitgang vereiste het combineren van inzichten in zowel kwantumcomputerhardware als de theorie van kwantumfoutcorrectie, waarbij gebruik werd gemaakt van het interdisciplinaire karakter van het onderzoeksteam en hun nauwe samenwerking. Hoewel de mechanica van deze opstelling specifiek is voor de ytterbium-atomen van Thompson, zei hij dat het idee om kwantumqubits te ontwikkelen om wisfouten te genereren, een nuttig doel zou kunnen zijn in andere systemen - waarvan er over de hele wereld veel in ontwikkeling zijn - en iets is dat de groep blijft werken aan.

"We zien dit project als een soort architectuur die op veel verschillende manieren kan worden toegepast", zei Thompson, eraan toevoegend dat andere groepen al zijn begonnen met het ontwerpen van hun systemen om fouten om te zetten in verwijderingen. "We zien al veel interessants bij het vinden van aanpassingen voor dit werk."

Als volgende stap werkt de groep van Thompson nu aan het demonstreren van de conversie van fouten naar uitwissingen in een kleine werkende kwantumcomputer die enkele tientallen qubits combineert.

Het artikel, "Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays", werd op 9 augustus gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Het toevoegen van logische qubits aan de Sycamore-kwantumcomputer vermindert het foutenpercentage