Van kwantumcomputers wordt verwacht dat ze een revolutie teweeg zullen brengen in de manier waarop onderzoekers moeilijke computerproblemen oplossen. Deze computers worden ontworpen om grote uitdagingen aan te gaan in fundamentele onderzoeksgebieden, zoals de kwantumchemie. In de huidige ontwikkelingsfase is quantum computing nog erg gevoelig voor ruis en storende factoren in de omgeving. Dit maakt kwantumcomputing "lawaaierig" omdat kwantumbits - of qubits - informatie verliezen door niet synchroon te lopen, een proces dat decoherentie wordt genoemd.

Om de beperkingen van de huidige kwantumcomputers te overwinnen, ontwikkelen onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) simulaties die een glimp opvangen van hoe kwantumcomputers werken.

"Als we het gedrag van kwantumsystemen, zoals qubits, rechtstreeks proberen te observeren, zullen hun kwantumtoestanden instorten", zegt PNNL-computerwetenschapper Ang Li. Li is ook een onderzoeker voor het Quantum Science Center en het Co-Design Center for Quantum Advantage - twee van de vijf National Quantum Information Science Research Centers van het Department of Energy. "Om dit te omzeilen, gebruiken we simulaties om qubits en hun interactie met de omgeving te bestuderen."

Li en medewerkers van Oak Ridge National Laboratory en Microsoft gebruiken high-performance computing om simulators te ontwikkelen die echte kwantumapparaten nabootsen voor het uitvoeren van complexe kwantumcircuits. Onlangs hebben ze twee verschillende soorten simulaties gecombineerd om de Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) te creëren om kwantumalgoritmen te testen.

"Het testen van kwantumalgoritmen op kwantumapparaten is traag en kostbaar. Ook zijn sommige algoritmen te geavanceerd voor de huidige kwantumapparaten", zegt Li. "Onze kwantumsimulators kunnen ons helpen verder te kijken dan de beperkingen van bestaande apparaten en algoritmen te testen voor meer geavanceerde systemen."

Algoritmen voor kwantumcomputers

Nathan Wiebe, een mede-aangestelde van PNNL van de Universiteit van Toronto en aangesloten professor aan de Universiteit van Washington, volgt een andere strategie met het schrijven van code voor kwantumcomputers. Hoewel het soms frustrerend kan zijn om te worden beperkt door de mogelijkheden van de huidige kwantumapparaten, ziet Wiebe deze uitdaging als een kans.

"Lawaaierige kwantumcircuits produceren fouten in berekeningen", zei Wiebe. "Hoe meer qubits nodig zijn voor een berekening, hoe foutgevoeliger deze is."

Wiebe en medewerkers van de Universiteit van Washington hebben nieuwe algoritmen ontwikkeld om deze fouten in bepaalde soorten simulaties te corrigeren.

"Dit werk biedt een goedkopere en snellere manier om kwantumfoutcorrectie uit te voeren. Het brengt ons mogelijk dichter bij het demonstreren van een rekenkundig bruikbaar voorbeeld van een kwantumsimulatie voor kwantumveldentheorie op korte termijn kwantumhardware", zegt Wiebe.

Donkere materie ontmoet kwantumcomputer

Terwijl Wiebe ruis probeert te verminderen door algoritmen voor foutcorrectie te maken, kijken natuurkundige Ben Loer en zijn collega's naar de omgeving om externe bronnen van ruis te beheersen.

Loer gebruikt zijn achtergrond bij het bereiken van ultralage niveaus van natuurlijke radioactiviteit - die nodig zijn om te zoeken naar experimenteel bewijs van donkere materie in het universum - om qubit-decoherentie te helpen voorkomen.

"Straling uit de omgeving, zoals gammastraling en röntgenstraling, bestaat overal", zegt Loer. "Omdat qubits zo gevoelig zijn, hadden we het idee dat deze straling hun kwantumtoestand zou kunnen verstoren."

Om dit te testen, gebruikten Loer, projectleider Brent VanDevender en collega John Orrell, samen met onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Lincoln Laboratory van MIT een loden schild om qubits tegen straling te beschermen. Ze ontwierpen het schild voor gebruik in een verdunningskoelkast - een technologie die wordt gebruikt om de temperatuur net boven het absolute nulpunt te produceren die nodig is om supergeleidende qubits te laten werken. Ze zagen dat de qubit-decoherentie afnam toen de qubits werden beschermd.

Hoewel dit de eerste stap is om te begrijpen hoe straling kwantumcomputers beïnvloedt, is Loer van plan te onderzoeken hoe straling circuits en substraten binnen een kwantumsysteem verstoort. "We kunnen deze kwantuminteracties simuleren en modelleren om het ontwerp van kwantumapparaten te helpen verbeteren", zegt Loer.

Loer neemt zijn met lood afgeschermde verdunningskoelkastonderzoek ondergronds in het Shallow Underground Laboratory van PNNL met de hulp van PNNL-chemicus Marvin Warner

"Als we een kwantumapparaat ontwikkelen dat niet presteert zoals het zou moeten, moeten we het probleem kunnen lokaliseren", zegt Warner. "Door qubits af te schermen van externe straling, kunnen we andere potentiële bronnen van ruis in het apparaat gaan karakteriseren." + Verder verkennen

Fouttolerant kwantumcomputergeheugen in diamant