Tuhat kertaa nopeammat operaatiot kvanttilaskentaan

Tähän mennessä kvanttitietokoneiden kehitystä on hidastanut niiden äärimmäinen herkkyys virheille ja ulkoisille häiriöille. Mitä kauemmin kvanttioperaatio kestää, sitä suurempi on laskennallisten virheiden esiintymisen riski.

Nyt Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden menetelmän, jonka avulla monenlaisia edistyneitä kvanttioperaatioita voidaan suorittaa yli tuhat kertaa nopeammin. Läpimurto ratkaisee alan tunnetun pullonkaulan ja tasoittaa tietä vikasietoiselle kvanttilaskennalle.

Tutkijat etsivät uusia tapoja suojata haurasta kvantti-informaatiota etsiessään joustavampaa ja vikasietoisempaa kvanttilaskentaa. Yksi lupaava lähestymistapa on niin kutsuttujen bosonisten kvanttikoodien* käyttö.

"Sen sijaan, että kvantti-informaatiota tallennettaisiin yksittäisiin kubitteihin, bosoniset koodit koodaavat informaatiota suprajohtavien piirien mikroaaltokentissä. Tämän lähestymistavan on osoitettu tarjoavan vahvemman suojan tietyntyyppisiä virheitä vastaan", selittää tutkimuksen toinen kirjoittaja Tangyou Huang.

Bosonisiin kvanttikoodeihin perustuvien kvanttioperaatioiden luominen ja hallinta on tunnetusti vaikeaa. Aiemmat lähestymistavat, joissa tällaisia kvanttitiloja rakennettiin yksi kerrallaan, ovat vaatineet kvanttijärjestelmien ohjaamista tuhansien toistuvien ajosyklien läpi. Tämä on aikaa vievä prosessi, joka jättää enemmän mahdollisuuksia virheiden esiintymiseen.

Chalmersin tutkijat Lei Du ja Tangyou Huang ovat nyt kehittäneet täysin uuden lähestymistavan. Kvanttitilojen askel askeleelta rakentamisen sijaan he ovat suunnitelleet menetelmän, joka voi suorittaa nämä operaatiot huomattavasti nopeammin.

"Menetelmämme osoittaa, että monenlaisia kvanttioperaatioita bosonisissa tiloissa voidaan suorittaa yhden ajosyklin aikana aiemmin vaadittujen useiden tuhansien syklien sijaan. Tämä tekee toiminnoista sekä nopeampia että tehokkaampia ja samalla vähentää riskiä, että häiriöt vääristävät informaatiota ennen prosessin päättymistä. Se on tärkeä askel kohti vikasietoisia kvanttitietokoneita", Lei Du sanoo.

Tutkijoiden lähestymistavan ytimessä ovat niin kutsutut kvanttihilaportit, uusi universaali kvanttiporttijoukko, jonka sama tutkimusryhmä ehdotti äskettäin ensimmäisenä. Nämä portit toimivat pitkälti pikakomentojen tavoin ja mahdollistavat halutun toiminnon suorittamisen yhden ajosyklin aikana, mikä tekee prosessista sekä yksinkertaisemman että vähemmän virhealttiin.

Menetelmä soveltuu erityisesti suprajohtaville kvanttitietokoneille, jotka ovat yksi johtavista alustoista maailmanlaajuisessa kilpailussa kohti laajamittaista kvanttilaskentaa. Sitä käytetään myös Chalmersin teknillisessä yliopistossa, jossa kehitetään parhaillaan 100-kubitin kvanttitietokonetta.

Lisätietoa bosonisista koodeista, kvanttihilaporteista ja Floquet-ohjauksesta

*Bosoniset kvanttikoodit tallentavat kvantti-informaatiota esimerkiksi mikroaaltojen tai optisten resonaattoreiden tiloihin yksittäisten kubittien sijaan. Niitä pidetään lupaavina työkaluina kvanttivirheiden korjaukseen, koska ne voivat tarjota sisäänrakennetun suojan tietyntyyppisiä virheitä vastaan.

Tämän informaation käsittelemiseksi tarvitaan kvanttioperaatioita. Kvanttihilaportit ovat äskettäin ehdotettu joukko alkeellisia rakenneosia bosonisten kvanttitilojen ohjaamiseksi. Näitä portteja suunnittelemalla voidaan toteuttaa laaja valikoima monimutkaisempia kvanttioperaatioita.

Yksi tapa toteuttaa nämä operaatiot on Floquet-ohjaus, jossa kvanttijärjestelmää ohjataan jaksollisilla ohjaussignaaleilla. Aiemmat Floquet-pohjaiset menetelmät ovat usein perustuneet hitaisiin prosesseihin, jotka vaativat useita ajosyklejä. Chalmersissa kehitetty uusi menetelmä voi sen sijaan toteuttaa kvanttihilaportteja suoraan yhden ajosyklin sisällä, mikä tekee joistakin operaatioista yli tuhat kertaa nopeampia.

Aiheesta aiemmin:

Akustiset aallot suojaavat kvanttibittejä

Kvanttilaskentaa ilman keskeytyksiä

Kvanttitietokoneet siirtyvät moniulotteiseen tekniikkaan