Onderzoekers van Duke University en de University of Maryland hebben de frequentie van metingen op een kwantumcomputer gebruikt om een ​​glimp op te vangen van de kwantumverschijnselen van faseveranderingen - iets vergelijkbaars met water dat in stoom verandert.

Door het aantal bewerkingen te meten dat op een kwantumcomputersysteem kan worden geïmplementeerd zonder de ineenstorting van zijn kwantumtoestand te veroorzaken, kregen de onderzoekers inzicht in hoe andere systemen - zowel natuurlijke als computationele - hun kantelpunten tussen fasen bereiken. De resultaten bieden ook richtlijnen voor computerwetenschappers die werken aan het implementeren van kwantumfoutcorrectie die uiteindelijk kwantumcomputers in staat zal stellen hun volledige potentieel te bereiken.

De resultaten verschenen op 3 juni online in het tijdschrift Nature Physics .

Wanneer water aan de kook wordt gebracht, evolueert de beweging van moleculen naarmate de temperatuur verandert, totdat het een kritiek punt bereikt waarop het in stoom begint te veranderen. Op een vergelijkbare manier kan een kwantumcomputersysteem in toenemende mate worden gemanipuleerd in discrete tijdstappen totdat zijn kwantumtoestand instort tot een enkele oplossing.

"Er zijn diepe verbanden tussen fasen van materie en de kwantumtheorie, en dat is wat er zo fascinerend aan is", zegt Crystal Noel, assistent-professor elektrische en computertechniek en natuurkunde aan Duke. "Het kwantumcomputersysteem gedraagt ​​​​zich op dezelfde manier als kwantumsystemen die in de natuur worden gevonden - zoals vloeistof die verandert in stoom - ook al is het digitaal."

De kracht van kwantumcomputers ligt in het vermogen van hun qubits om tegelijkertijd een combinatie van zowel een 1 als een 0 te zijn, met een exponentiële groei van de systeemcomplexiteit naarmate er meer qubits worden toegevoegd. Dit stelt hen in staat om een ​​probleem met enorm parallellisme aan te pakken, zoals proberen de stukjes van een puzzel allemaal tegelijk in plaats van één voor één in elkaar te passen. De qubits moeten echter hun kwantum besluiteloosheid kunnen behouden totdat er een oplossing is gevonden.

Een van de vele uitdagingen die dit met zich meebrengt, is de foutcorrectie. Sommige qubits zullen onvermijdelijk een stukje informatie verliezen en het systeem moet deze fouten kunnen ontdekken en herstellen. Maar omdat kwantumsystemen hun "kwantumiteit" verliezen wanneer ze worden gemeten, is het een lastige taak om op fouten te letten. Zelfs met extra qubits die een oogje in het zeil houden, hoe meer een kwantumalgoritme wordt onderzocht op fouten, hoe groter de kans dat het faalt.

"Net als watermoleculen die op het punt staan ​​​​stoom te worden, is er een drempel van metingen die een kwantumcomputer kan weerstaan ​​​​voordat hij zijn kwantuminformatie verliest," zei Noel. "En dat aantal metingen is een analogie voor hoeveel fouten de computer kan weerstaan ​​en nog steeds correct functioneert."

In het nieuwe artikel onderzoeken Noel en haar collega's die overgangsdrempel en de toestand van het systeem aan beide kanten.

In nauwe samenwerking met Christopher Monroe, de Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Engineering and Physics aan Duke, Marko Cetina, assistent-professor natuurkunde aan Duke, en Michael Gullans en Alexey Gorshkov aan de University of Maryland en het National Institute of Standards and Technology, heeft de groep mede-ontworpen software om willekeurige kwantumcircuits uit te voeren die zijn afgestemd op de mogelijkheden van hun kwantumsysteem. Het experiment werd uitgevoerd op een van de kwantumcomputers van het Duke Quantum Center, een van de krachtigste kwantumcomputersystemen ter wereld.

"Het aantal qubits in het systeem, de betrouwbaarheid van de operaties en het niveau van systeemautomatisering dat tegelijkertijd is gecombineerd, is uniek voor dit kwantumcomputersysteem", zei Noel. "Andere systemen hebben elk afzonderlijk kunnen bereiken, maar nooit alle drie tegelijk in een academisch systeem. Dat is wat ons in staat stelde deze experimenten uit te voeren."

Door het gemiddelde te nemen over veel willekeurige circuits, kon het team zien hoe de meetfrequentie de qubits beïnvloedde. Zoals voorspeld, ontstond er een kritiek punt waarop het systeem onvermijdelijk zijn coherentie en kwantuminformatie verloor, en door te kijken hoe het systeem zich aan weerszijden van die faseovergang gedroeg, zullen onderzoekers in staat zijn om betere benaderingen te bouwen voor foutcorrectiecodes in de toekomst.

De gegevens bieden ook een unieke kijk op hoe andere faseveranderingen in de natuur plaatsvinden die onderzoekers nooit eerder hebben kunnen zien.

"Deze demonstratie is een perfect voorbeeld van wat we uniek doen in het Duke Quantum Center," zei Monroe. "Hoewel onze kwantumcomputers zijn gemaakt van atomen die onder uitstekende controle staan ​​​​met elektromagnetische vallen, lasers en optica, kunnen we deze systemen inzetten om iets heel anders te doen, in dit geval de onderliggende kwantumaard van faseovergangen onderzoeken. Deze zelfde kwantumcomputer kan ook worden toegepast bij het oplossen van lastige modellen op gebieden variërend van chemische reacties, DNA-sequencing en astrofysica. Dit vereist niet alleen expertise op het gebied van atoomfysica, maar ook op het gebied van systeemtechniek, computerwetenschap en elk gebied dat de toepassing definieert die moet worden uitgevoerd." + Verder verkennen

Foutloze kwantumcomputing wordt werkelijkheid