Forskare vid University of Chicago publicerade en ny teknik för att förbättra tillförlitligheten hos kvantdatorer genom att få tillgång till högre energinivåer än traditionellt sett. De flesta tidigare arbeten inom kvantberäkning handlar om "qubits, "kvantanalogen för binära bitar som kodar antingen noll eller en. Det nya arbetet utnyttjar istället" qutrits, "kvantanaloger av trinnivåer som kan representera noll, en eller två.

UChicago -gruppen arbetade tillsammans med forskare baserade vid Duke University. Båda grupperna ingår i EPiQC-samarbetet (Enabling Practical-scale Quantum Computation), en NSF -expedition i databehandling. EPiQC:s tvärvetenskapliga forskning sträcker sig från algoritm- och mjukvaruutveckling till arkitektur och hårdvarudesign, med det slutgiltiga målet att snabbare inse den enorma potentialen för kvantberäkning för vetenskaplig upptäckt och datorinnovation.

Tillgång till högre energinivåer

Verket kan ses i samband med en grundläggande avvägning mellan rum och tid som är vanligt inom datavetenskap:Program kan påskyndas genom att använda mer minne, eller alternativt, program kan minska minneskraven genom att dra på sig längre drifttider. Men i samband med kvantberäkning, där korttidsmaskiner är starkt begränsade i både minne och körtider som stöds, ingen av dessa avvägningar är acceptabel.

Lösningen EPiQC -teamet upptäckte var att bryta abstraktionen av att använda binära qubits. "Medan binär logik är vettig för on-off-fysiken som ligger till grund för konventionella datorer, kvantmaskinvara är inte i sig binär, "förklarar forskaren Pranav Gokhale, en doktorand vid University of Chicago. Faktiskt, tillstånd på en kvantdator tillhör ett oändligt spektrum, så qubit är bara ett artificiellt konstruerat val av att bara använda två av staterna.

Teamet fann att genom att tillåta användning av tre tillstånd via qutrits, en av de grundläggande operationerna inom kvantberäkning är exponentiellt snabbare utan att behöva ytterligare minne. Teamet verifierade sin upptäckt med simuleringar som kördes under realistiska bullerförhållanden.

"Qutrits kostar mycket, eftersom närvaron av ett ytterligare tillstånd innebär fler möjliga felkällor, "sa Gokhale." Ändå, våra simuleringar visar att qutrits har en övertygande fördel med två till tio gånger högre tillförlitlighet än bara qubit-algoritmer för kortsiktiga riktmärken. "

Överbrygga klyftan mellan hårdvara och programvara

Teamets upptäckt matchar väl EPiQC:s tvärvetenskapliga fokus på att överbrygga klyftan mellan kvantmaskinvara och programvara. Ett tidigt skede av detta arbete presenterades vid Quantum Information Processing Conference i januari, där den vann priset för bästa affisch. Sedan dess, forskningen har finjusterats för att matcha sofistikerade hårdvarumodeller som utvecklats i samarbete med experter som arbetar med superledande och instängda jonkvantdatorer.

"Genom att skräddarsy algoritmer för att dra nytta av kvantmaskinvarans unika möjligheter, vi inser effektivitetsvinster som annars är dolda bakom abstraktionsbarriärerna mellan hårdvara och programvara, "konstaterar Fred Chong, Seymour Goodman professor i datavetenskap vid UChicago och ledande PI för EPiQC. "I detta fall, vår hårdvarumodellering fick oss att återkomma och utmana den konventionella visdomen att binär drift är bäst för beräkning. "

Hela papperet, "Asymptotiska förbättringar av kvantkretsar via Qutrits, "publiceras nu på arXiv.