Ett nytt datorprogram som upptäcker när information i en kvantdator flyr till oönskade tillstånd kommer att ge användare av denna lovande teknik möjligheten att kontrollera dess tillförlitlighet utan någon teknisk kunskap för första gången.

Forskare från University of Warwicks institution för fysik har utvecklat ett kvantdatorprogram för att upptäcka förekomsten av "läckage", där information som bearbetas av en kvantdator flyr från tillstånden 0 och 1.

Deras metod presenteras i en artikel som publicerades idag (19 mars) i tidskriften Fysisk granskning A , och inkluderar experimentella data från dess tillämpning på en allmänt tillgänglig maskin, som visar att oönskade tillstånd påverkar vissa beräkningar.

Kvantberäkningar utnyttjar kvantfysikens ovanliga egenskaper för att bearbeta information på ett helt annat sätt än konventionella datorer. Att dra fördel av beteendet hos kvantsystem, som att existera i flera olika tillstånd samtidigt, denna radikala form av datoranvändning är utformad för att behandla data i alla dessa tillstånd samtidigt, ger det en enorm fördel jämfört med konventionella datorer.

I konventionella datorer, kvantdatorer använder kombinationer av 0:or och 1:or för att koda information, men kvantdatorer kan utnyttja kvanttillstånd som är både 0 och 1 samtidigt. Dock, hårdvaran som kodar den informationen kan ibland koda den felaktigt i ett annat tillstånd, ett problem som kallas "läckage". Även ett mycket litet läckage som ackumuleras över många miljoner hårdvarukomponenter kan orsaka felberäkningar och potentiellt allvarliga fel, upphäver alla kvantfördelar jämfört med konventionella datorer. Som en del av en mycket bredare uppsättning fel, läckage spelar sin roll för att förhindra att kvantdatorer skalas upp mot kommersiella och industriella tillämpningar.

Beväpnad med kunskapen om hur mycket kvantläckage som förekommer, datoringenjörer kommer att bli bättre på att bygga system som mildrar det och programmerare kan utveckla nya felkorrigeringstekniker för att ta hänsyn till det.

Dr Animesh Datta, docent i fysik, sa:"Det kommersiella intresset för kvantberäkning växer så vi ville fråga hur vi med säkerhet kan säga att dessa maskiner gör vad de ska göra.

"Kvantdatorer är idealiskt gjorda av qubits, men som det visar sig i verkliga enheter ibland är de inte qubits alls – utan är i själva verket qutrits (tre tillstånd) eller ququarts (fyra tillståndssystem). Ett sådant problem kan förstöra varje efterföljande steg i din datoroperation.

"De flesta hårdvaruplattformar för kvantdatorer lider av detta problem - även konventionella datorenheter upplever magnetiskt läckage, till exempel. Vi behöver kvantdatoringenjörer för att minska läckaget så mycket som möjligt genom design, men vi måste också tillåta kvantdatoranvändare att utföra enkla diagnostiska tester för den.

"Om kvantdatorer ska komma in i vanlig användning, det är viktigt att en användare som inte har någon aning om hur en kvantdator fungerar kan kontrollera att den fungerar korrekt utan att behöva teknisk kunskap, eller om de får åtkomst till den datorn på distans."

Forskarna tillämpade sin metod med hjälp av IBM Q Experience kvantenheter, genom IBM:s allmänt tillgängliga molntjänst. De använde en teknik som kallas dimensionsbevisande:genom att upprepade gånger tillämpa samma operation på IBM Q-plattformen, de fick en datauppsättning med resultat som inte kunde förklaras med en enda kvantbit, och endast av en mer komplicerad, högre dimensionellt kvantsystem. De har beräknat att sannolikheten för att denna slutsats härrör från ren slump är mindre än 0,05 %.

Medan konventionella datorer använder binära siffror, eller 0:or och 1:or, att koda information i transistorer, kvantdatorer använder subatomära partiklar eller supraledande kretsar som kallas transmons för att koda den informationen som en qubit. Detta betyder att det är i en superposition av både 0 och 1 samtidigt, tillåter användare att beräkna olika sekvenser av samma qubits samtidigt. När antalet qubits ökar, antalet processer ökar också exponentiellt. Vissa typer av problem, som de som finns i kodbrytning (som är beroende av faktorisering av stora heltal) och i kemi (som att simulera komplicerade molekyler), är särskilt lämpade för att utnyttja denna egendom.

Transmons (och annan kvantdatorhårdvara) kan existera i ett stort antal tillstånd:0, 1, 2, 3, 4 och så vidare. En idealisk kvantdator använder bara tillstånden 0 och 1, såväl som överlagringar av dessa, annars kommer fel att uppstå i kvantberäkningen.

Dr George Knee, vars arbete finansierades av ett forskningsstipendium från Royal Commission for the Exhibition 1851, sa:"Det är något att kunna dra denna slutsats på ett avstånd av flera tusen mil, med mycket begränsad tillgång till själva IBM-chippet. Även om vårt program bara använde de tillåtna instruktionerna för 'single qubit', dimensionsbevisande tillvägagångssätt kunde visa att oönskade tillstånd nås i transmonkretskomponenterna. Jag ser detta som en vinst för alla användare som vill undersöka de annonserade egenskaperna hos en kvantmaskin utan att behöva hänvisa till hårdvaruspecifika detaljer."