In moderne computers zijn fouten tijdens het verwerken en opslaan van informatie een zeldzaamheid geworden vanwege hoogwaardige fabricage. Voor kritieke toepassingen, waar zelfs enkele fouten ernstige gevolgen kunnen hebben, worden echter nog steeds foutcorrectiemechanismen gebruikt op basis van redundantie van de verwerkte gegevens.

Quantumcomputers zijn van nature veel gevoeliger voor storingen en zullen dus waarschijnlijk altijd foutcorrectiemechanismen nodig hebben, omdat anders fouten zich ongecontroleerd in het systeem voortplanten en informatie verloren gaat. Omdat de fundamentele wetten van de kwantummechanica het kopiëren van kwantuminformatie verbieden, kan redundantie worden bereikt door logische kwantuminformatie te distribueren in een verstrengelde toestand van verschillende fysieke systemen, bijvoorbeeld meerdere individuele atomen.

Het team onder leiding van Thomas Monz van de afdeling Experimentele Fysica van de Universiteit van Innsbruck en Markus Müller van de RWTH Universiteit van Aken en Forschungszentrum Jülich in Duitsland is er nu voor het eerst in geslaagd een reeks computationele bewerkingen te realiseren op twee logische kwantumbits die worden gebruikt om elke mogelijke bewerking uit te voeren. "Voor een echte kwantumcomputer hebben we een universele set poorten nodig waarmee we alle algoritmen kunnen programmeren", legt Lukas Postler, een experimenteel natuurkundige uit Innsbruck, uit.

Fundamentele kwantumbewerking gerealiseerd

Het team van onderzoekers implementeerde deze universele poortset op een ionenvalkwantumcomputer met 16 ingesloten atomen. De kwantuminformatie werd opgeslagen in twee logische kwantumbits, elk verdeeld over zeven atomen.

Nu is het voor het eerst mogelijk om twee computationele poorten te implementeren op deze fouttolerante kwantumbits, die nodig zijn voor een universele set poorten:een rekenbewerking op twee kwantumbits (een CNOT-poort) en een logische T gate, wat bijzonder moeilijk te implementeren is op fouttolerante kwantumbits.

"T-poorten zijn zeer fundamentele operaties", legt theoretisch natuurkundige Markus Müller uit. "Ze zijn vooral interessant omdat kwantumalgoritmen zonder T-poorten relatief eenvoudig kunnen worden gesimuleerd op klassieke computers, waardoor elke mogelijke versnelling teniet wordt gedaan. Dit is niet langer mogelijk voor algoritmen met T-poorten." De natuurkundigen demonstreerden de T-poort door een speciale toestand in een logische kwantumbit voor te bereiden en deze via een verstrengelde poortoperatie naar een andere kwantumbit te teleporteren.

Complexity increases, but accuracy also

In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone.

The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.

"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.

The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.

The research was published in Nature . + Verder verkennen

Error-protected quantum bits entangled for the first time