USC -forskare har visat en teoretisk metod för att förbättra prestanda för kvantdatorer, ett viktigt steg för att skala en teknik med potential att lösa några av samhällets största utmaningar.

Metoden åtgärdar en svaghet som försämrar prestanda för nästa generations datorer genom att undertrycka felaktiga beräkningar samtidigt som resultaten blir bättre. ett kritiskt steg innan maskinerna kan överträffa klassiska datorer som avsett. Kallas "dynamisk avkoppling, "det fungerade på två kvantdatorer, visat sig vara enklare och mer tillförlitlig än andra åtgärder och kunde nås via molnet, som är en första för dynamisk avkoppling.

Tekniken administrerar staccato -utbrott av små, fokuserade energipulser för att kompensera omgivningsstörningar som muck känsliga beräkningar. Forskarna rapporterar att de kunde upprätthålla ett kvanttillstånd upp till tre gånger längre än vad som annars skulle inträffa i ett okontrollerat tillstånd.

"Det här är ett steg framåt, "sa Daniel Lidar, professor i elektroteknik, kemi och fysik vid USC och chef för USC Center for Quantum Information Science and Technology (CQIST). "Utan felundertryckning, det finns inget sätt som kvantberäkning kan komma över klassisk dator. "

Resultaten publicerades idag i tidningen Fysiska granskningsbrev . Lidar är Viterbi -professor i teknik vid USC och motsvarande författare till studien; han ledde ett team av forskare vid CQIST, som är ett samarbete mellan USC Viterbi School of Engineering och USC Dornsife School of Letters, Konst och vetenskap. IBM och Bay Area start Rigetti Computing gav molntillgång till sina kvantdatorer.

Kvantdatorer är snabba, men skör

Kvantdatorer har potential att föråldra dagens superdatorer och driva genombrott inom medicin, finans- och försvarsförmåga. De utnyttjar atomernas hastighet och beteende, som fungerar radikalt annorlunda än kiseldatorchips, att utföra till synes omöjliga beräkningar.

Quantum computing har potential att optimera nya läkemedelsbehandlingar, modeller för klimatförändringar och design för nya maskiner. De kan uppnå snabbare leverans av produkter, lägre kostnader för tillverkade varor och effektivare transporter. De drivs av qubits, de subatomära arbetshästarna och byggstenarna för kvantberäkning.

Men qubits är lika temperamentsfulla som högpresterande racerbilar. De är snabba och högteknologiska, men utsatt för fel och behöver stabilitet för att upprätthålla beräkningar. När de inte fungerar korrekt, de ger dåliga resultat, vilket begränsar deras förmåga i förhållande till traditionella datorer. Forskare över hela världen har ännu inte uppnått en "kvantfördel - den punkt där en kvantdator överträffar en konventionell dator för alla uppgifter.

Problemet är "buller, "en heltäckande beskrivning för störningar som ljud, temperatur och vibrationer. Det kan destabilisera qubits, som skapar "dekoherens, "en upprördhet som stör kvanttillståndets varaktighet, vilket minskar tiden en kvantdator kan utföra en uppgift samtidigt som man uppnår korrekta resultat.

"Buller och dekoherens har stor påverkan och förstör beräkningar, och en kvantdator med för mycket brus är värdelös, "Förklarade Lidar." Men om du kan slå ner problemen i samband med buller, då börjar du närma dig den punkt där kvantdatorer blir mer användbara än klassiska datorer. "

USC -forskning spänner över flera kvantdatorplattformar

USC är det enda universitetet i världen med en kvantdator; dess 1098-qubit D-Wave quantum annealer specialiserar sig på att lösa optimeringsproblem. En del av USC-Lockheed Martin Center for Quantum Computing, den ligger vid USC:s Information Sciences Institute. Dock, de senaste forskningsresultaten uppnåddes inte på D-Wave-maskinen, men i mindre skala, kvantdatorer för allmänna ändamål:IBM:s 16-qubit QX5 och Rigettis 19-qubit Acorn.

För att uppnå dynamisk avkoppling (DD), forskarna badade de superledande qubiterna med tätt fokuserade, tidsinställda pulser av elektromagnetisk energi. Genom att manipulera pulserna, forskare kunde omsluta qubitsna i en mikromiljö, avskild - eller frikopplad - från omgivande buller, på så sätt upprätthåller ett kvanttillstånd.

"Vi försökte en enkel mekanism för att minska fel i maskinerna som visade sig vara effektiva, "sa Bibek Pokharel, en elektroteknisk doktorand vid USC Viterbi och första författare till studien.

Tidsekvenserna för experimenten var mycket små med upp till 200 pulser som sträckte sig upp till 600 nanosekunder. En miljarddel av en sekund, eller en nanosekund, är hur lång tid det tar för ljus att resa en fot.

För IBM kvantdatorer, slutgiltighet förbättrad trefaldigt, från 28,9 procent till 88,4 procent. För kvantdatorn Rigetti, den slutliga trovärdighetsförbättringen var mer blygsamma 17 procent, från 59,8 till 77,1, enligt studien. Forskarna testade hur länge trovärdighetsförbättringen kunde upprätthållas och fann att fler pulser alltid förbättrade saker för Rigettidatorn, medan det fanns en gräns på cirka 100 pulser för IBM -datorn.

Övergripande, fynden visar att DD -metoden fungerar bättre än andra kvantfelkorrigeringsmetoder som har försökts hittills, Sa Lidar.

"Som vi förstår det, "skrev forskarna, "detta motsvarar den första entydiga demonstrationen av framgångsrik minskning av dekoherens i molnbaserade superledande qubit-plattformar ... vi förväntar oss att de lärdomar som dras kommer att ha stor tillämpbarhet."

Höga insatser i loppet om kvantöverlägsenhet

Jakten på quantum computing supremacy är en geopolitisk prioritet för Europa, Kina, Kanada, Australien och USA. Fördelen med att förvärva den första datorn som gör alla andra datorer föråldrad skulle vara enorm och ge ekonomisk, militära och folkhälsofördelar för vinnaren.

Kongressen överväger två nya lagförslag för att etablera USA som ledande inom kvantberäkning. I september, representanthuset antog National Quantum Initiative Act för att avsätta 1,3 miljarder dollar på fem år för att stimulera forskning och utveckling. Det skulle skapa ett nationellt kvantkoordineringskontor i Vita huset för att övervaka forskning rikstäckande. En separat räkning, Quantum Computing Research Act av senator Kamala Harris, D-Kalifornien, uppmanar försvarsdepartementet att leda en kvantberäkning.

"Quantum computing är nästa tekniska gräns som kommer att förändra världen och vi har inte råd att hamna efter, "Harris sade i beredda kommentarer." Det kan skapa jobb för nästa generation, bota sjukdomar och framför allt göra vår nation starkare och säkrare. ... Utan tillräcklig forskning och samordning inom kvantberäkning, vi riskerar att hamna efter vår globala konkurrens i cyberrymden, vilket gör oss sårbara för attacker från våra motståndare, " Hon sa.