Att upptäcka fel i data är en sak, men det är fortfarande möjligt att korrigera dem på kvantberäkningsnivå. Kredit:Shutterstock/andriano cz
Datorkraften har växt exponentiellt under många decennier, så varför tar det mycket utlovade nästa språnget av kvantdatorer så lång tid att komma fram?
En anledning är att informationen i ett kvantsystem är känslig för felinducerande brus på ett sätt som klassisk information inte är. Detta brus är överallt och oundvikligt, som härrör från mikroskopiska oscillationer av atomer och elektroner i all materia. Så vi måste uppfinna nya sätt att hantera kvantfel.
När du ringer ett telefonsamtal i ett överbelastat nätverk, eller skrapa en CD, tekniken kan fortfarande fungera:konversationer förblir begripliga och musik spelas fortfarande.
Detta beror på att dessa enheter använder felkorrigeringskoder:även om fel förstör rådataströmmen, den viktiga logiska informationen kan fortfarande rekonstrueras. Och dessa kan anpassas för kvantberäkning.
En tid du kan lita på
För att se hur detta fungerar för klassisk kodning, överväga lösningen som användes av tidiga navigatörer.
De visste att longitud kunde beräknas från solens höjd så länge som tiden vid hemmahamnen var känd - därav sjöfartens nödvändighet att bygga exakt, stabila klockor.
Helst en klocka skulle räcka, men tänk om något gick fel? Två klockor är bättre, så länge de båda är överens. Men om de inte håller med, vilket är rätt? Med tre klockor, en majoritetsröst tillåter tidtagaren att upptäcka och återställa en egensinnig klocka.
För binära data, representeras av 0:or och 1:or, upprepning skyddar information:en logisk bit "0" representeras i tre fysiska bitar som 000, medan "1" representeras som 111.
Antag att under dataöverföringen "0", den sista fysiska biten vändes av misstag, så att det mottagna meddelandet är 001. Mottagaren skulle omedelbart se att ett fel hade skadat data.
Ytterligare, genom att ta en majoritetsröst, hon skulle gissa att ett fel påverkade den tredje fysiska biten, och korrekt avkoda den logiska biten:"0". Så länge fel är sällsynta, upprepningskoden kommer att tillåta att logiska data överförs tillförlitligt över en brusig, felbenägen kanal.
Kända okända
En kvantrynka på den här bilden är att den innebär en "mätning". Mottagaren vet exakt vilka fysiska bitar hon fick (001 i exemplet, ovan), vilket innebär att hon var tvungen att mäta dem (det vill säga, Titta på dom).
Men kvantmekaniken säger oss att mätningen i grunden förändrar tillståndet för ett kvantsystem. Att bara mäta kvantbitar (qubits) ändrar meddelandet.
Så en kvantmottagare får inte mäta qubits direkt, men hon måste fortfarande ta reda på om fel har uppstått, och var.
För att lösa detta återgår vi till upprepningskoden för vägledning. Istället för att titta på bitvärdena, mottagaren kan istället ställa följande två frågor:
Om det inte fanns några fel, svaret på båda dessa frågor skulle vara "ja", oavsett om meddelandet var 000 eller 111.
Men om den sista biten fick ett fel (mottagning av 001 eller 110), svaret på Q1 skulle vara "ja" men Q2 skulle vara "nej". Från detta svar, mottagaren kan sluta sig till att det finns ett fel och dess plats.
Liknande, ett fel på den första biten kommer att avslöjas av mönstret Q1="Nej", Q2="Ja". Ett fel på mittenbiten kommer att avslöjas av Q1=Q2="Nej". Således, varje enskilt fel kommer att bestämmas unikt av dessa svar, och kan repareras.
Att veta vilken fysisk bit som drabbades av ett fel, hon skulle fixa det genom att medvetet vända den biten, för att vända effekten av det ursprungliga felet. Detta kan hända utan att känna till tillståndet för den skadade biten.
Observera att besvara dessa frågor endast kräver jämförande kunskap om de mottagna bitarna. Det beror inte på deras speciella värde, inte heller den kodade logiska informationen.
Denna princip fångar essensen av kvantfelskorrigerande koder. Det tillåter oss att samtidigt identifiera fel och undvika skadlig kvantinformation.
Istället för att mäta värdet av individuella fysiska qubits, en serie jämförande frågor ställs:"Är qubits i grupp A samma som varandra?", "Är qubitarna i grupp B desamma som varandra?" och så vidare. Svaren på dessa frågor ger ledtrådar om var felen finns, men utan att avslöja själva budskapet.
Dessa svar används sedan för att sluta sig till och korrigera de troliga felen.
Den logiska kvantinformationen är kodad i ytterligare en kombination av qubits, som vi mäter först när vi verkligen vill upptäcka det logiska kvanttillståndet.
Detta tillvägagångssätt är aktivt, och beräkningsmässigt dyrt för stora datamängder. För vissa applikationer, det är nödvändigt. Men om ingenjörer på 1940-talet hade ställts inför en liknande kamp för att utveckla tidiga datorer, Jag misstänker att den bärbara datorn jag skriver detta på aldrig skulle ha byggts.
Magnetisk stabilitet
Istället, de hade tur, eftersom naturen själv gör klassisk felkorrigering gratis. Magneter är otroligt stabila, så de används för att lagra stora mängder information på hårddiskar med nästan ingen aktiv felkorrigering.
Magneter är bara samlingar av många magnetiska atomer som tenderar att rikta in sina magnetiska axlar med varandra, så de pekar alla "norut".
Om en kosmisk stråle spontant sparkar den magnetiska orienteringen av en atom, dess atomära grannar utövar en magnetisk kraft som justerar den med majoritetens riktning. Så en magnet kan ses som en bit materia som passivt korrigerar sig själv, med lokal majoritet.
Tyvärr för kvantdatorer, vi känner inte till något sådant passivt stabilt tillstånd av kvantmateria. Faktiskt, vi har matematiska bevis för att sådan materia inte kan existera i ett tvådimensionellt universum, medan det kan i ett fyrdimensionellt universum.
Än så länge, vi vet inte om passivt stabil kvantmateria existerar i vårt eget tredimensionella universum.
Vi vet att med tillräckligt med kompetens och resurser, vi kan aktivt korrigera kvantfel.
Men att bygga ett kvantminne är en ständig utmaning. Det finns inget som en "kvantmagnet" för att enkelt lagra kvantinformation åt oss. Vi måste designa och bygga ett sådant system från grunden, nästan bokstavligen atom för atom.
En av de första stora uppgifterna en kvantdator kommer att göra är att utföra kvantfelskorrigering på sig själv. Även om detta låter prosaiskt, det kommer att vara det första exemplet i vårt kända universum av verklig kvantmateria.
Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln. 
