Wetenschap
Nieuw systeem verhoogt de efficiëntie van kwantumfoutcorrectie
De fragiele qubits waaruit kwantumcomputers bestaan, bieden een krachtig rekeninstrument, maar vormen ook een raadsel:hoe kunnen ingenieurs praktische, werkbare kwantumsystemen creëren uit bits die zo gemakkelijk worden verstoord – en van gegevens worden gewist – door kleine veranderingen in hun omgeving?
Ingenieurs hebben lang geworsteld met de vraag hoe ze kwantumcomputers minder foutgevoelig kunnen maken, vaak door manieren te ontwikkelen om fouten op te sporen en te corrigeren in plaats van ze überhaupt te voorkomen. Veel van dergelijke foutcorrectieschema's omvatten echter het dupliceren van informatie over honderden of duizenden fysieke qubits tegelijk, wat al snel moeilijk wordt om op een efficiënte manier op te schalen.
Nu heeft een team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago de blauwdruk ontwikkeld voor een kwantumcomputer die fouten efficiënter kan corrigeren. Het systeem maakt gebruik van een nieuw raamwerk, gebaseerd op kwantum low-density parity-check (qLDPC) codes – die fouten kunnen detecteren door naar de relatie tussen bits te kijken – en van nieuwe hardware met herconfigureerbare atom-arrays, waarmee qubits kunnen communiceren met meer buren en laat daarom de qLDPC-gegevens in minder qubits coderen.
"Met deze voorgestelde blauwdruk hebben we de overhead die nodig is voor kwantumfoutcorrectie verminderd, wat nieuwe wegen opent voor het opschalen van kwantumcomputers", zegt Liang Jiang, hoogleraar moleculaire technologie en senior auteur van het nieuwe werk, gepubliceerd in Natuurfysica .
Intrinsieke ruis
Terwijl standaardcomputers afhankelijk zijn van digitale bits – in een aan- of uit-positie – om gegevens te coderen, kunnen qubits in superpositietoestanden bestaan, waardoor ze de mogelijkheid krijgen om nieuwe rekenproblemen aan te pakken. De unieke eigenschappen van qubits maken ze echter ook ongelooflijk gevoelig voor hun omgeving; ze veranderen van toestand op basis van de omgevingstemperatuur en elektromagnetisme.
"Kwantumsystemen zijn intrinsiek luidruchtig. Er is echt geen manier om een kwantummachine te bouwen die geen fouten bevat", zegt Qian Xu, een PME-afgestudeerde student die het nieuwe werk leidde. "Je moet een manier hebben om actieve foutcorrectie uit te voeren als je je kwantumsysteem wilt opschalen en bruikbaar wilt maken voor praktische taken."
De afgelopen decennia hebben wetenschappers zich vooral gericht op één type foutcorrectie, genaamd oppervlaktecodes, voor kwantumsystemen. In deze systemen codeer je tegelijkertijd dezelfde logische informatie in veel fysieke bits, gerangschikt in een groot tweedimensionaal raster. Fouten kunnen worden afgeleid door qubits te vergelijken met hun directe buren. Een mismatch suggereert dat één qubit een fout heeft gemaakt.
"Het probleem hiermee is dat je een enorme overhead aan middelen nodig hebt", zegt Xu. "In sommige van deze systemen heb je voor elke logische qubit duizend fysieke qubits nodig, dus op de lange termijn denken we niet dat we dit kunnen opschalen naar hele grote computers."
Redundantie verlagen
In hun nieuwe systeem probeerden Jiang, Xu en collega's van Harvard University, Caltech, University of Arizona en QuEra Computing in plaats daarvan qLDPC-codes te gebruiken om fouten te corrigeren. Dit soort foutcorrectie werd al lang overwogen, maar niet geïmplementeerd in een realistische blauwdruk.
Met qLDPC-codes worden de gegevens in qubits niet alleen vergeleken met directe buren, maar ook met verderaf gelegen qubits. Hierdoor kan een kleiner raster van qubits worden gebruikt om hetzelfde aantal vergelijkingen voor foutcorrectie te bereiken. Dit soort langeafstandscommunicatie tussen qubits was echter altijd het knelpunt bij de implementatie van qLDPC.
De onderzoekers bedachten een oplossing in de vorm van nieuwe hardware:herconfigureerbare atomen die met lasers verplaatst kunnen worden zodat qubits met nieuwe partners kunnen praten.
"Met de herconfigureerbare atoomarraysystemen van vandaag kunnen we meer dan duizend fysieke qubits met hoge betrouwbaarheid controleren en manipuleren en qubits met elkaar verbinden die over een grote afstand van elkaar zijn gescheiden", zegt Harry Zhou van Harvard University en QuEra Computing. "Door de structuur van kwantumcodes en deze hardwaremogelijkheden op elkaar af te stemmen, kunnen we deze meer geavanceerde qLDPC-codes met slechts een paar controlelijnen implementeren, waardoor de realisatie ervan binnen handbereik komt met de huidige experimentele systemen."
Toen ze qLDPC-codes combineerden met herconfigureerbare arrays met neutrale atomen, kon het team een beter foutenpercentage bereiken dan het gebruik van oppervlaktecodes met slechts een paar honderd fysieke qubits. Bij opschaling zouden kwantumalgoritmen met duizenden logische qubits kunnen worden gerealiseerd met minder dan 100.000 fysieke qubits – veel efficiënter dan de gouden standaard-oppervlaktecodes.
"Er is nog steeds sprake van redundantie als het gaat om het coderen van de gegevens in meerdere fysieke qubits, maar het idee is dat we die redundantie aanzienlijk hebben verminderd", aldus Xu.
Het raamwerk is nog steeds theoretisch, hoewel wetenschappers snel atom-array-platforms ontwikkelen die richting het praktische gebruik van foutgecorrigeerde kwantumberekeningen gaan. Het PME-team werkt nu aan het verder verfijnen van hun blauwdruk en ervoor te zorgen dat de logische qubits die afhankelijk zijn van qLDPC-codes en herconfigureerbare atoomarrays kunnen worden gebruikt bij berekeningen.
"We denken dat dit ons op de lange termijn in staat zal stellen zeer grote kwantumcomputers te bouwen met lagere foutenpercentages", aldus Xu.