Virheiden osoittaminen tehostaa kvanttilaskentaa

Princetonin yliopiston apulaisprofessori Jeff Thompsonin johtama tiimi on luonut uudenlaisen lähestymistavan tehokkaampaan virheenkorjaukseen kvanttitietokoneissa.

Elokuussa Nature Communicationsissa julkaistussa artikkelissa esiteltiin uusi virheenkorjausteoria joka voi parantaa merkittävästi kvanttitietokoneen vikojen sietokykyä ja vähentää virheiden eristämiseen ja korjaamiseen tarvittavan redundantin informaation määrää.

Redundanttisuus toimii vain, kun suurin osa tiedoista on valmiiksi oikein. "Jos lähtötason virheprosentti on liian korkea, redundanssi on huono strategia", Thompson sanoo. "Tämän kynnyksen alle pääseminen on alan suurin haaste."

Sen sijaan, että keskittyisi pelkästään virheiden määrän vähentämiseen, Thompsonin tiimi teki virheistä näkyvämpiä.

Vuosia sitten Thompson tutki "neutraaliatomien kubitteja", joissa kvantti-informaatio ("kubitti") on tallennettu yhteen atomiin. Valinnassa päädyttiin ytterbiumiin osittain siksi, että sen uloimmassa elektronikerroksessa on kaksi elektronia verrattuna useimpiin muihin neutraaleihin atomikubitteihin, joissa on vain yksi.

Thompson kertoo. "Se ylimääräinen pieni monimutkaisuus, jonka saa kahdesta elektronista, osoittautuikin nyt hyödylliseksi virheiden poistamisessa.

Ytterbiumin elektroneja ajetaan vakaasta perustilasta virittyneisiin "metastabiileihin tiloihin", jotka voivat olla pitkäikäisiä oikeissa olosuhteissa, mutta ovat luonnostaanhauraita. Vastoin intuitiivisuutta tutkijat ehdottavat kuitenkin näiden tilojen käyttöä kvantti-informaation koodaamiseen.

Tempun lisäarvona on, että kun elektronit putoavat perustilaan, ne sirottavat valoa hyvin näkyvästi, joten valon loistaminen ytterbiumkubittien kokoelmaan saa vain vialliset syttymään. Ne, jotka syttyvät, tulee sitten kirjata virheiksi.

Nyt lokakuussa he kertovat kehittäneensä demonstraation tekniikastaan, joka tekee heidän mukaan kvanttitietokoneen virheiden korjaamisesta 10 kertaa helpompaa.

Tähän päästiin käyttämällä atomin sisäisiä erienergiatasoja kubitin tallentamiseen, jolloin tutkijat pystyivät tarkkailemaan kubitteja laskennan aikana ja havaitsemaan virheiden esiintymisen reaaliajassa. Tämä prosessi muuntaa virheet poistovirheiksi.

Tutkijat uskovat, että tällä lähestymistavalla lähes 98 prosenttia kaikista virheistä voisi olla havaittavissa optimoiduilla protokollilla. Tämä voisi vähentää virheenkorjauksen toteuttamisen laskentakustannuksia suuruusluokalla tai enemmän.

Nyt myös Caltech yliopiston johtama tutkijaryhmä osoittaa, että he voivat paikantaa ja korjata poistovirheitä kvanttilaskentajärjestelmissä.

Hekin hyödyntävät Jeff Thompson ja kollegoidensa kehittämää teoriaa poiston havainnointiin neutraaleissa atomijärjestelmissä. Kokeissaan he käyttivät kuitenkin Rydberg-atomijärjestelmää.

Heidän virheensieppausjärjestelmä on suunniteltu siten, että virheelliset atomit fluoresoivat, kun niihin osuu laserilla. "Meillä on kuvia hehkuvista atomeista, jotka kertovat meille, missä virheet ovat, joten voimme joko jättää ne pois lopullisista tilastoista tai käyttää ylimääräisiä laserpulsseja niiden korjaamiseksi", tutkijatohtori Pascal Scholl sanoo.

Poistamalla ja paikantamalla virheitä Caltechin tiimi onnistui parantamaan yleistä lomittumisastetta. Ryhmä raportoi, että vain yksi 1000 atomiparista ei kyennyt lomittumaan. Se on 10-kertainen parannus aiempiin saavutuksiin verrattuna ja se on kaikkien aikojen korkein havaittu lomittumisaste tämäntyyppisessä järjestelmässä.

"Neutraalit atomit ovat skaalautuvin kvanttitietokoneen tyyppi, mutta niillä ei ole ollut hyvää lomittumisen tarkkuutta tähän mennessä", jatko-opiskelija Adam Shaw täsmentää.

Myös Harvardin yliopiston vetämä tiimi raportoi kahden kubitin lomittumisporttiensa lähes virheettömästä suorituskyvystä erittäin alhaisilla virhetasoilla.

Sekä Caltechin että Harvanrdin tutkijoiden mukaan saavutukset luovat pohjan kvanttivirhekorjatuille algoritmeille ja laajamittaiselle kvanttilaskennalle ja että neutraalien atomiryhmien kvanttilaskenta osoittaa nyt etsityn lupauksensa.

Aiheesta aiemmin: