Kvantsystem kan manipuleras med extremt hög precision, men inte perfekt. Forskare vid Institutionen för fysik vid ETH Zürich har nu visat hur man övervakar och korrigerar fel som uppstår under sådana operationer.

Kvantberäkningsområdet har sett enorma framsteg under de senaste åren. Alltmer, kvantenheter utmanar konventionella datorer, åtminstone vid en handfull utvalda uppgifter. Trots nuvarande framsteg, dagens kvantinformationsprocessorer kämpar fortfarande för att hantera fel, som oundvikligen förekommer i alla beräkningar. Denna oförmåga att rätta till fel effektivt hindrar ansträngningar för långvarig, storskalig behandling av kvantinformation. Nu, en uppsättning experiment av gruppen Jonathan Home vid Institute for Quantum Electronics har, för första gången, integrerade en rad element som behövs för att utföra kvantfelkorrigering i ett enda experiment. Dessa resultat har publicerats idag i tidskriften Natur .

Att göra ofullkomlighet acceptabelt

Precis som deras klassiska motsvarigheter, kvantdatorer är byggda av ofullkomliga komponenter, och de är mycket mer känsliga för störningar utifrån. Detta leder oundvikligen till fel när beräkningar utförs. För konventionella datorer, det finns en väletablerad verktygslåda för att upptäcka och korrigera sådana fel. Kvantdatorer kommer att förlita sig ännu mer på att hitta och åtgärda fel. Detta kräver konceptuellt olika tillvägagångssätt som tar hänsyn till att information är kodad i kvanttillstånd. Särskilt, läsa upp kvantinformation upprepade gånger utan att störa den, ett krav för att upptäcka fel, och att reagera i realtid för att vända dessa fel innebär stora utmaningar.

Upprepa prestanda

Hemgruppen kodar kvantinformation i kvanttillstånden för enstaka joner som är sammanbundna i en fälla. Vanligtvis, dessa strängar innehåller joner av endast en art. Men Ph.D. studenterna Vlad Negnevitsky och Matteo Marinelli, tillsammans med postdoc Karan Mehta och ytterligare kollegor, har nu skapat strängar där de fångade två olika arter - två berylliumjoner ( ⁹ Vara ⁺ ) och en kalciumjon ( ⁴⁰ Ca ⁺ ). Sådana blandade strängar har producerats tidigare, men laget har använt dem på nya sätt.

De utnyttjade de tydligt olika egenskaper som de två arterna besitter. Särskilt, i deras experiment, de manipulerade och mätte beryllium- och kalciumjoner med olika ljusfärger. Detta öppnar upp en väg för att arbeta med en art utan att störa den andra. På samma gång, ETH -forskarna hittade sätt att låta de motsatta jonerna interagera med varandra så att mätningar på kalciumjonen ger information om kvanttillstånden för berylliumjonerna, utan att förstöra de ömtåliga staterna. Viktigt, fysikerna övervakade berylliumjonerna upprepade gånger när de utsattes för brister och fel. Teamet utförde 50 mätningar på samma system, medan i tidigare experiment (där endast kalciumjoner användes), sådan upprepad avläsning har begränsats till bara några omgångar.

Korrigerande åtgärder

Spotting fel är en sak; vidta åtgärder för att rätta till dem en annan. För att göra det senare, forskarna utvecklade ett kraftfullt kontrollsystem för att upprepade gånger knuffa berylliumjonerna beroende på hur mycket de avvek från måltillståndet. Att återföra jonerna på rätt spår krävde komplex informationsbearbetning om tidsskalan för mikrosekunder. Eftersom systemet använder klassisk styrelektronik, den nu visade metoden bör vara användbar även för kvantberäkningsplattformar baserade på andra informationsbärare än instängda joner.

Viktigt, Negnevitsky, Marinelli, Mehta och deras medarbetare visade att dessa tekniker också kan användas för att stabilisera tillstånd där de två berylliumjonerna delar intrasslade kvanttillstånd, som inte har någon direkt motsvarighet i klassisk fysik. Entanglement är en ingrediens som ger kvantdatorer unika möjligheter. Dessutom, trassel kan också användas för att öka noggrannheten i precisionsmätningar. Ingredienser för felkorrigering som de som nu visas kan få dessa tillstånd att hålla längre - vilket ger spännande utsikter inte bara för kvantberäkning utan också för metrologi.