Natuurkundigen hebben aangetoond dat zelfcorrigerende kwantumcomputers theoretisch mogelijk zijn, een doorbraak die ervoor zou kunnen zorgen dat praktische kwantumcomputers minder op sciencefiction gaan lijken.

De enorme belofte van kwantumcomputing op gebieden als scheikunde en cryptografie is ook de grootste uitdaging:elke zweem van fouten of geknoei zorgt ervoor dat de hele berekening instort. De enige manier om dit te omzeilen is door meerdere kwantumbits (qubits), de bouwstenen van kwantuminformatie, te gebruiken om in wezen elke qubit te ondersteunen. Maar in de praktijk wordt dit onmogelijk als de kwantumcomputer te groot wordt.

"In de huidige kwantumprocessors heb je altijd wel een aantal fouten, en dus denk je misschien:oké, ik voeg nog een paar qubits toe ter bescherming", zegt natuurkundige Alexey Gorshkov van het Joint Quantum Institute van de Universiteit van Maryland. Het probleem is dat je exponentieel veel meer qubits nodig hebt om exponentieel afnemende foutniveaus te corrigeren. "Uiteindelijk is het gewoon onrealistisch."

In hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics, ontdekten Gorshkov en zijn co-auteurs dat het gebruik van speciale, 'topologisch geordende' arrangementen van qubits de noodzaak van exponentiële bronnen om fouten te corrigeren zou kunnen elimineren. "Ons inzicht was, wacht even, is het mogelijk om een ​​soort topologische kwantumfoutcorrectie (TEC) uit te voeren", wat zou kunnen leiden tot de "heilige graal" van polynomiale overhead? zei Gorshkov, die ook bij het National Institute of Standards and Technology werkt. "Dat is de belangrijkste bevinding van ons artikel."

Hun idee komt neer op ‘foutcorrectiecodes die zijn opgebouwd uit topologische toestanden van materie – toestanden van materie die geen lokale orde kennen, maar in plaats daarvan worden gekenmerkt door correlaties over lange afstanden die kunnen worden gebruikt om fouten op te sporen en te corrigeren’, aldus de onderzoekers. een Nature Physics News &Views-artikel.

De doorbraak zal ook gevolgen hebben die verder gaan dan kwantumcomputers, zegt Gorshkov, op gebieden als de fysica van hoge-energiedeeltjes en de statistische fysica. "Kwantumfoutcorrectie is een universele techniek voor het beheersen van fouten in alle kwantumsystemen, niet alleen in een kwantumcomputer", zei hij. "Er zijn veel andere fysieke systemen waarin deze technieken kunnen worden uitgeprobeerd, en dat is echt spannend."