'n Skyfie wat 'n ioonval bevat wat navorsers gebruik om atoomioon-kwantite (kwantumbisse) vas te vang en te beheer. Krediet: Kai Hudek/JQI
Kwantumrekenaareksperimente by UMD toon dat die kombinasie van kwantumrekenaarstukke nie hoef te beteken dat hul foutkoerse gekombineer word nie.
Pobody se nerfek—nie eers die onverskillige, berekenende stukkies wat die grondslag van rekenaars is nie. Maar JQI-genoot Christopher Monroe se groep, saam met kollegas van Duke Universiteit, het vordering gemaak om te verseker dat ons die resultate van kwantumrekenaars kan vertrou, selfs wanneer hulle gebou is uit stukke wat soms misluk. Hulle het in 'n eksperiment vir die eerste keer gewys dat 'n samestelling van quantum computing stukke kan beter wees as die slegste dele wat gebruik word om dit te maak. In 'n referaat wat in die joernaal gepubliseer is Aard vandag (4 Oktober 2021) het die span gedeel hoe hulle hierdie landmerkstap na betroubare, praktiese kwantumrekenaars geneem het.
In hul eksperiment het die navorsers verskeie qubits gekombineer - die kwantumweergawe van bisse - sodat hulle saam gefunksioneer het as 'n enkele eenheid wat 'n logiese qubit genoem word. Hulle het die logiese qubit geskep op grond van 'n kwantumfoutkorreksiekode sodat, anders as vir die individuele fisiese qubits, foute maklik opgespoor en reggestel kan word, en hulle het dit gemaak om foutverdraagsaam te wees - in staat om foute te bevat om hul negatiewe effekte te minimaliseer.
"Qubits wat uit identiese atoomione bestaan, is vanself baie skoon," sê Monroe, wat ook 'n genoot van die Joint Centre for Quantum Information and Computer Science en 'n College Park Professor in die Departement Fisika aan die Universiteit van Maryland is. “Maar op een of ander stadium, wanneer baie qubits en bewerkings vereis word, moet foute verder verminder word, en dit is makliker om meer qubits by te voeg en inligting anders te enkodeer. Die skoonheid van foutkorreksiekodes vir atoomione is dat hulle baie doeltreffend kan wees en buigsaam deur middel van sagtewarekontroles aangeskakel kan word.
Die boks wat die ioonvalkwantumrekenaar in Christopher Monroe se laboratorium bevat. Krediet:
Marko Cetina/JQI
Dit is die eerste keer dat getoon is dat 'n logiese kwbit meer betroubaar is as die mees foutgevoelige stap wat nodig is om dit te maak. Die span was in staat om die logiese qubit suksesvol in sy begintoestand te plaas en dit 99.4% van die tyd te meet, ten spyte daarvan dat hulle staatgemaak het op ses kwantumbewerkings wat individueel na verwagting slegs ongeveer 98.9% van die tyd sal werk.
Dit klink dalk nie na 'n groot verskil nie, maar dit is 'n belangrike stap in die strewe om baie groter kwantumrekenaars te bou. As die ses kwantumbewerkings monteerlynwerkers was, wat elkeen op een taak gefokus het, sou die monteerlyn slegs 93.6% van die tyd die korrekte aanvanklike toestand produseer (98.9% ses keer met homself vermenigvuldig) - ongeveer tien keer erger as die fout gemeet in die eksperiment. Die verbetering is omdat in die eksperiment die onvolmaakte stukke saamwerk om die kans te verminder dat kwantumfoute die resultaat saamstel en verwoes, soortgelyk aan waaksame werkers wat mekaar se foute opvang.
Die resultate is bereik met behulp van Monroe se ioonvangstelsel by UMD, wat tot 32 individuele gelaaide atome—ione—gebruik wat met lasers afgekoel en oor elektrodes op ’n skyfie gehang word. Hulle gebruik dan elke ioon as 'n qubit deur dit met lasers te manipuleer.
"Ons het 32 laserstrale," sê Monroe. “En die atome is soos eende in ’n ry; elk met sy eie volledig beheerbare laserstraal. Ek dink daaraan asof die atome 'n lineêre snaar vorm en ons pluk dit soos 'n kitaarsnaar. Ons pluk dit met lasers wat ons op 'n programmeerbare manier aan- en afskakel. En dit is die rekenaar; dit is ons sentrale verwerkingseenheid.”
Deur suksesvol 'n foutverdraagsame logiese qubit met hierdie stelsel te skep, het die navorsers getoon dat versigtige, kreatiewe ontwerpe die potensiaal het om kwantumrekenaars te ontketen van die beperking van die onvermydelike foute van die huidige stand van die kuns. Fout-tolerante logiese qubits is 'n manier om die foute in moderne qubits te omseil en kan die grondslag wees van kwantumrekenaars wat beide betroubaar en groot genoeg is vir praktiese gebruike.
Korrigeer foute en verdra foute
Die ontwikkeling van foutverdraagsame qubits wat in staat is tot foutkorreksie is belangrik, want Murphy se wet is meedoënloos: Maak nie saak hoe goed jy 'n masjien bou nie, iets loop uiteindelik verkeerd. In 'n rekenaar het enige bietjie of qubit 'n kans om af en toe te misluk in sy werk. En die baie qubits betrokke by 'n praktiese kwantumrekenaar beteken daar is baie geleenthede vir foute om in te sluip.
Gelukkig kan ingenieurs 'n rekenaar ontwerp sodat sy stukke saamwerk om foute op te vang—soos om belangrike inligting op 'n ekstra hardeskyf te rugsteun of om 'n tweede persoon jou belangrike e-pos te laat lees om tikfoute op te vang voordat jy dit stuur. Beide die mense of die dryf moet opmors vir 'n fout om te oorleef. Alhoewel dit meer werk verg om die taak te voltooi, help die oortolligheid om die finale kwaliteit te verseker.
Sommige algemene tegnologieë, soos selfone en hoëspoedmodems, gebruik tans foutkorreksie om die kwaliteit van uitsendings te help verseker en ander ongerief te vermy. Foutkorreksie deur eenvoudige oortolligheid te gebruik, kan die kans op 'n onopgemerkte fout verminder solank jou prosedure nie meer dikwels verkeerd is as wat dit reg is nie—byvoorbeeld, om data in drievoud te stuur of te berg en die meerderheidstem te vertrou, kan die kans op 'n fout van een uit 'n honderd tot minder as een uit 'n duisend.
Dus, hoewel perfeksie dalk nooit in bereik is nie, kan foutkorreksie 'n rekenaar se werkverrigting so goed maak as wat vereis word, solank jy die prys van die gebruik van ekstra hulpbronne kan bekostig. Navorsers beplan om kwantumfoutkorreksie te gebruik om op soortgelyke wyse hul pogings aan te vul om beter qubits te maak en hulle in staat te stel om kwantumrekenaars te bou sonder om al die foute waaraan kwantumtoestelle ly, te oorkom.
"Wat verstommend is aan foutverdraagsaamheid, is dat dit 'n resep is vir hoe om klein onbetroubare onderdele te neem en dit in 'n baie betroubare toestel te verander," sê Kenneth Brown, 'n professor in elektriese en rekenaaringenieurswese by Duke en 'n mede-outeur op die koerant. "En foutverdraagsame kwantumfoutkorreksie sal ons in staat stel om baie betroubare kwantumrekenaars van foutiewe kwantumonderdele te maak."
Maar kwantumfoutkorreksie het unieke uitdagings—qubits is meer kompleks as tradisionele bisse en kan op meer maniere verkeerd gaan. Jy kan nie net 'n kwbit kopieer, of selfs net die waarde daarvan in die middel van 'n berekening nagaan nie. Die hele rede waarom qubits voordelig is, is dat hulle in 'n kwantumsuperposisie van veelvuldige toestande kan bestaan en kwantummeganies met mekaar verstrengel kan raak. Om 'n kwbit te kopieer moet jy presies weet watter inligting dit tans stoor—in fisiese terme moet jy dit meet. En 'n meting plaas dit in 'n enkele goed gedefinieerde kwantumtoestand, wat enige superposisie of verstrengeling vernietig waarop die kwantumberekening gebou is.
So vir kwantumfoutkorreksie, moet jy foute regstel in stukkies wat jy nie mag kopieer of selfs te noukeurig na kyk nie. Dit is soos om te proeflees terwyl jy geblinddoek is. In die middel van die 1990's het navorsers maniere begin voorstel om dit te doen deur die subtiliteite van kwantummeganika te gebruik, maar kwantumrekenaars bereik net die punt waar hulle die teorieë op die proef kan stel.
Die sleutelgedagte is om 'n logiese qubit uit oortollige fisiese qubits te maak op 'n manier wat kan kyk of die qubits ooreenkom op sekere kwantummeganiese feite sonder om ooit die toestand van enige van hulle individueel te ken.
Kan nie op die atoom verbeter nie
Daar is baie voorgestelde kwantumfoutkorreksiekodes om van te kies, en sommige is meer natuurlike passings vir 'n spesifieke benadering tot die skep van 'n kwantumrekenaar. Elke manier om 'n kwantumrekenaar te maak het sy eie tipe foute sowel as unieke sterkpunte. Om dus 'n praktiese kwantumrekenaar te bou verg begrip en werk met die spesifieke foute en voordele wat jou benadering na die tafel bring.
Die ioonval-gebaseerde kwantumrekenaar waarmee Monroe en kollegas werk, het die voordeel dat hul individuele qubits identies en baie stabiel is. Aangesien die qubits elektries gelaaide ione is, kan elke qubit met al die ander in die lyn kommunikeer deur elektriese stote, wat vryheid gee in vergelyking met stelsels wat 'n soliede verbinding met onmiddellike bure benodig.
"Hulle is atome van 'n spesifieke element en isotoop, so hulle is perfek repliseerbaar," sê Monroe. “En wanneer jy samehang in die qubits stoor en jy hulle laat staan, bestaan dit in wese vir ewig. So die qubit wanneer alleen gelaat word, is perfek. Om van daardie qubit gebruik te maak, moet ons dit met lasers steek, ons moet dinge daaraan doen, ons moet vashou aan die atoom met elektrodes in 'n vakuumkamer, het al daardie tegniese dinge geraas op hulle, en dit kan die kwbit beïnvloed."
Vir Monroe se stelsel is die grootste bron van foute verstrengeling van bewerkings—die skep van kwantumskakels tussen twee qubits met laserpulse. Verstrengelingsbewerkings is noodsaaklike dele van die bedryf van 'n kwantumrekenaar en om kwantumbits te kombineer in logiese kwbits. Dus, terwyl die span nie kan hoop om hul logiese qubits inligting meer stabiel te stoor as die individuele ioon-qubits nie, is die regstelling van die foute wat voorkom wanneer qubits verstrengel word 'n belangrike verbetering.
Die navorsers het die Bacon-Shor-kode gekies as 'n goeie pasmaat vir die voordele en swakhede van hul stelsel. Vir hierdie projek het hulle net 15 van die 32 ione benodig wat hul sisteem kan ondersteun, en twee van die ione is nie as qubits gebruik nie, maar was net nodig om 'n eweredige spasiëring tussen die ander ione te kry. Vir die kode het hulle nege qubits gebruik om 'n enkele logiese qubit oorbodig te enkodeer en vier bykomende qubits om plekke uit te kies waar potensiële foute voorgekom het. Met daardie inligting kan die opgespoorde foutiewe kwbits in teorie reggestel word sonder dat die "kwantum-heid" van die kwbits in gevaar gestel word deur die toestand van enige individuele kwbit te meet.
"Die sleuteldeel van kwantumfoutkorreksie is oortolligheid, en daarom het ons nege kwbits nodig gehad om een logiese kwbit te kry," sê JQI-gegradueerde student Laird Egan, wat die eerste skrywer van die artikel is. "Maar daardie oortolligheid help ons om foute te soek en dit reg te stel, want 'n fout op 'n enkele kwbit kan deur die ander agt beskerm word."
Die span het die Bacon-Shor-kode suksesvol met die ioonvangstelsel gebruik. Die gevolglike logiese qubit het ses verstrengelde bewerkings vereis - elk met 'n verwagte foutkoers tussen 0.7% en 1.5%. Maar te danke aan die noukeurige ontwerp van die kode, kombineer hierdie foute nie in 'n selfs hoër foutkoers wanneer die verstrengelingsbewerkings gebruik is om die logiese qubit in sy aanvanklike toestand voor te berei nie.
Die span het slegs 0.6% van die tyd 'n fout in die qubit se voorbereiding en meting waargeneem - minder as die laagste fout wat vir enige van die individuele verstrengelingsoperasies verwag is. Die span kon toe die logiese kwbit na 'n tweede toestand skuif met 'n fout van net 0.3%. Die span het ook doelbewus foute bekendgestel en gedemonstreer dat hulle dit kon opspoor.
"Dit is regtig 'n demonstrasie van kwantumfoutkorreksie wat die werkverrigting van die onderliggende komponente vir die eerste keer verbeter," sê Egan. “En daar is geen rede dat ander platforms nie dieselfde ding kan doen as hulle opskaal nie. Dit is regtig 'n bewys van konsep dat kwantumfoutkorreksie werk.”
Terwyl die span met hierdie werk voortgaan, sê hulle hulle hoop om soortgelyke sukses te behaal in die bou van selfs meer uitdagende kwantumlogiese hekke uit hul qubits, die uitvoering van volledige siklusse van foutkorreksie waar die opgespoorde foute aktief reggestel word, en om verskeie logiese qubits saam te verstrengel. .
"Tot en met hierdie vraestel was almal daarop gefokus om een logiese qubit te maak," sê Egan. "En noudat ons een gemaak het, is ons soos: 'Enkele logiese qubits werk, so wat kan jy met twee doen?'"
Verwysing: "Fout-tolerante beheer van 'n fout-gekorrigeerde qubit" deur Laird Egan, Dripto M. Debroy, Crystal Noel, Andrew Risinger, Daiwei Zhu, Debopriyo Biswas, Michael Newman, Muyuan Li, Kenneth R. Brown, Marko Cetina en Christopher Monroe, 4 Oktober 2021, Aard.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03928-y
