By Kenna postat 12 september 2022
En av de största utmaningarna med att utveckla en kvantdator är fel correction. Fel inom kvantberäkning är ganska vanliga, främst på grund av miljöbrus och systemets övergripande bräcklighet. Dessa fel kan orsaka felaktiga mätningar och förvränga resultaten av kvantprogrammering. Många företag, som IBM och Google, arbetar på sätt att korrigera dessa fel eller omkalibrera kvantdatorer för att vara mer felsäkra. I en ny tidning från Nature Communications, erbjuder ett team från Princeton University en alternativ metod till felkorrigering genom att titta på ett system som kallas "raderingsfel".
Vad är Quantum Error Correction (QEC)?
Eftersom qubits, kärnenheterna i en kvantdator, är ganska ömtålig, de är känsliga för fel. "Det centrala problemet nu inom kvantberäkning är att få tillräckligt med högfientliga qubits för att implementera kvantfelskorrigering," förklarade Jeffrey Thompson, en docent vid Princeton University och huvudforskaren om studien i en intervju med Inuti Quantum Technology. För de flesta typer av kvantfelskorrigering (QEC), används en algoritm för att identifiera och laga fel i kvantdatorn. Även om dessa algoritmer är baserade på matematiska metoder, är de långt ifrån perfekta. Som Thompson förklarade: "In standard kvantfelskorrigering måste du bestämma både platserna och typerna av fel som inträffade på dina qubits, från en begränsad uppsättning observationer, kända som syndrommätningar." Även om dessa syndrommätningar är till hjälp för att lokalisera fel, leder de inte alltid till framgångsrik felkorrigering. "Felkorrigering misslyckas när du inte har tillräcklig information för att göra dessa bestämningar entydigt, vilket inträffar när det finns för många fel," tillade Thompson.
Hitta raderingsfel
Istället för att åtgärda det här problemet genom att minska det totala antalet fel, arbetade Thompson och hans team för att göra felen lättare att identifiera. De hittade detta nästan av en slump när de studerade strukturen av ytterbium qubit. De två elektronerna i ytterbiumets yttre skal verkade inte vara nyckeln till att hjälpa till med felkorrigering. Genom att dyka ner i de fysiska orsakerna till felet kunde forskarna utveckla ett system där felkällan raderar eller eliminerar de felaktiga uppgifterna. Raderingssystemet fungerade genom att koppla kvantfelen till energiskiftet i de yttre elektronerna. Thompson kallar detta system för ett "raderingsfel", och det kan hjälpa till att visa var data är felaktiga. "Ett "raderingsfel" är en speciell typ av någonsin som avslöjar sin egen plats, så du kan använda mer av syndrominformationen för att ta reda på feltypen, säger Thompson. "Detta gör att du kan hantera fler fel och därmed öka prestandan för felkorrigering." Raderingsfel är ganska vanliga i klassisk datoranvändning men övervägs först nu i kvantberäkning.
Med hjälp av raderingsfel fann forskarna att deras nya teknik kunde motstå en 4.1% felfrekvens, vilket är möjligt för nuvarande kvantdatorer. Tidigare system kunde bara motstå en felfrekvens på 1 % innan de överväldigades med en högre felprocent. Thompson tror att denna högre andel kan göra en större kvantdator med fler qubits till en sannolik verklighet. "Om du har qubits som är partiska mot raderingsfel, behöver du inte så många, och de kan prestera sämre," tillade Thompson. "För vissa parametrar kan raderingsförspända qubits kräva 10 x eller till och med 100x färre qubits för att uppnå en viss nivå av QEC-prestanda jämfört med konventionella qubits." För många företag som vill skala upp sina kvantdatorer kan ett raderingsfelsystem vara nyckeln för att uppnå dessa mål. "Det kan vara möjligt att subtilt designa om befintliga qubits för att uppnå detta," sa Thompson. "Det finns ett stort intresse för den här idén."
Kenna Hughes-Castleberry är personalskribent på Inside Quantum Technology och Science Communicator vid JILA (ett partnerskap mellan University of Colorado Boulder och NIST). Hennes skrivbeats inkluderar djupteknologi, metaversen och kvantteknologi. Du kan hitta mer av hennes arbete på hennes hemsida: https://kennacastleberry.com/
