Suunnitelma virhekorjatuille fermionisille kvanttiprosessoreille

Robert Ottin ja Hannes Pichlerin johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on kehittänyt uudenlaisen kvanttiprosessoriarkkitehtuurin, joka on erityisesti suunniteltu fermionien – hiukkasten, kuten elektronien, simulointiin.

Menetelmä voidaan toteuttaa jo nykyään saatavilla olevilla tekniikoilla.

Fermionit ovat fysiikan perustavanlaatuinen hiukkasluokka. Niihin kuuluvat elektronit, protonit ja neutronit – kaiken aineen rakennuspalikat. Ne kuuluvat niin sanotun Paulin periaatteen piiriin, jonka mukaan kaksi fermionia ei voi koskaan olla täsmälleen samassa kvanttitilassa. Tämä käyttäytyminen määrittää aineen olennaiset ominaisuudet, kuten atomien rakenteen tai elektronien käyttäytymisen materiaaleissa.

Innsbruckin yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksen ja ÖAW:n kvanttioptiikan ja kvantti-informaation instituutin (IQOQI) tiimi osoittaa, kuinka neutraaleja fermionisia atomeja optisissa loukuissa voidaan käyttää molekyylien ja materiaalien monimutkaisten ominaisuuksien tehokkaaseen replikointiin.

Käyttämällä yksittäisiä neutraaleja atomeja, jotka itse ovat fermionisia hiukkasia, fermioniset ominaisuudet toteutuvat suoraan laitteistossa.

Yksi tämän tyyppisen kvanttiprosessorin ratkaisematta jäänyt haaste on virheenkorjauksen integrointi. Kvanttilaskennan klassiset strategiat kohtaavat tässä rajoituksia, koska atomijärjestelmien hiukkasten määrä on tyypillisesti kiinteä – edellytys, joka sulkee pois monet vakiintuneet korjausmenetelmät.

Uusi tutkimus ratkaisee tämän esteen innovatiivisella konseptilla: niin sanotulla ”fermionisella referenssillä”, joka koostuu lisäatomeista. ”Tämä fermioninen referenssi mahdollistaa hiukkasten hallitun vaihdon prosessorin ja referenssin välillä, jolloin voidaan toteuttaa tehokkaita eri hiukkasmäärien superpositioita. Tämä mahdollistaa virheiden korjaamisen jopa järjestelmissä, joissa on kiinteä hiukkasmäärä”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja Robert Ott.

Työssään tutkijat osoittavat, kuinka tätä arkkitehtuuria voidaan käyttää vikasietoisen laskennan peruspalikoiden rakentamiseen. He osoittavat myös, että yleisiä virhetyyppejä – erityisesti vaihevirheitä – voidaan tunnistaa ja korjata tehokkaasti. Simulaatioissa virheiden todennäköisyys pieneni suuruusluokalla.

”Tämä työ tasoittaa tietä tarkemmille ja skaalautuvammille fermionisille kvanttitietokoneille, jotka hyödyntävät jo nykyään saatavilla olevia teknologioita”, sanoo tutkimusryhmää johtava Hannes Pichler. ”Se avaa uusia näkökulmia monimutkaisten kvanttifysikaalisten järjestelmien simulointiin, erityisesti kemiassa ja materiaalitieteessä.”

Kvanttiprosessoreista aiemmin:

Metapinnoista seuraava kvantti-informaation prosessori?

Topologinen kvanttilaskenta askeleen lähemmäksi todellisuutta

Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin