Ett nytt test för att kontrollera om en kvantdator ger korrekta svar på frågor utanför traditionell datorsystem kan hjälpa den första kvantdatorn som kan överträffa en klassisk dator att förverkligas.

Genom att skapa ett protokoll som tillåter en kvantdator att kontrollera sina egna svar på svåra problem, forskarna från University of Warwick har tillhandahållit ett sätt att bekräfta att en kvantdator fungerar korrekt utan överdriven användning av resurser.

Samuele Ferracin, Theodoros Kapourniotis och Dr Animesh Datta från universitetets fysiska institution har nyligen tagit upp detta problem i en artikel för New Journal of Physics , publicerad idag.

Forskarna har utvecklat ett protokoll för att kvantifiera effekterna av brus på kvantdatorernas utgångar. Buller definieras som allt som påverkar en kvantmaskins hårdvara men som ligger utanför användarens kontroll, såsom fluktuationer i temperatur eller brister i tillverkningen. Detta kan påverka noggrannheten i en kvantdators resultat.

När den tillämpas, forskarnas test ger två procentsatser:hur nära den uppskattar kvantdatorn till rätt resultat och hur säker en användare kan vara på den närheten.

Testet kommer att hjälpa byggare av kvantdatorer att avgöra om deras maskin fungerar korrekt för att förfina deras prestanda, ett viktigt steg för att fastställa användbarheten av kvantberäkning i framtiden.

Dr Animesh Datta från University of Warwick Department of Physics sa:"En kvantdator är bara användbar om den gör två saker:för det första, att det löser ett svårt problem; den andra, vilket jag tycker är mindre uppskattat, är att det löser det hårda problemet korrekt. Om det löser det felaktigt, vi hade inget sätt att ta reda på det. Så vad vårt papper ger är ett sätt att avgöra hur nära resultatet av en beräkning är att vara korrekt. "

Att avgöra om en kvantdator har producerat ett korrekt svar på ett svårt problem är en betydande utmaning eftersom, per definition, dessa problem ligger utanför ramen för en befintlig klassisk dator. Att kontrollera att svaret det har gett är vanligtvis att använda ett stort antal klassiska datorer för att hantera problemet, något som inte är möjligt att göra när de tar itu med allt mer utmanande problem.

Istället, forskarna har föreslagit en alternativ metod som innebär att man använder kvantdatorn för att köra ett antal enkla beräkningar som vi redan vet svaret på och fastställer noggrannheten i dessa resultat. Baserat på det här, forskarna kan sätta en statistisk gräns för hur långt kvantdatorn kan vara från det rätta svaret i det svåra problemet som vi vill att den ska svara på, känd som målberäkning.

Det är en liknande process som den som datorprogrammerare använder för att kontrollera stora datorprogram, genom att lägga in små funktioner med kända svar. Om programmet svarar tillräckligt på dessa korrekt kan de vara säkra på att hela programmet är korrekt.

Dr Datta tillägger:"Hela poängen med en kvantdator är att inte spendera en exponentiell tid på att lösa problem, så det tar en exponentiell tid att kontrollera om det är korrekt eller inte besegrar poängen med det. Så vår metod är effektiv genom att den inte kräver en exponentiell mängd resurser.

"Vi behöver inte en klassisk dator för att kontrollera vår kvantdator. Vår metod är fristående i ett kvantsystem som kan användas oberoende av stora servrar."

Huvudförfattaren Samuele Ferracin har utvecklat sätt för forskare som arbetar med kvantdatorer att införliva testet i deras arbete. Han sa:"Vi har ägnat de senaste åren åt att tänka på nya metoder för att kontrollera svaren på kvantdatorer och föreslå dem för experimentalister. De första metoderna visade sig vara för krävande för de befintliga kvantdatorerna, som bara kan implementera "små" beräkningar och utföra begränsade uppgifter. Med vårt senaste arbete har vi framgångsrikt utvecklat en metod som passar befintliga kvantdatorer och omfattar alla deras främsta begränsningar. Vi samarbetar nu med experimenter för att förstå hur det fungerar på en riktig maskin. "

Quantum computing utnyttjar de ovanliga egenskaperna hos kvantfysiken för att bearbeta information på ett helt annat sätt än konventionella datorer. Dra nytta av beteendet hos kvantsystem, som existerar i flera olika tillstånd samtidigt, denna radikala datorform är utformad för att bearbeta data i alla dessa tillstånd samtidigt, lånar det en stor fördel jämfört med klassisk dator. Vissa typer av problem, som de som finns i kodbrytning och kemi, är särskilt lämpade för att utnyttja den här egenskapen.

Under de senaste åren har experimentella framsteg skett utan motstycke. De största kvantdatorerna fördubblas i storlek var sjätte månad och verkar nu väldigt nära att uppnå kvantöverlägsenhet. Quantum supremacy hänvisar till en milstolpe i utvecklingen av kvantdatorer, där en kvantdator först utför en funktion som skulle kräva orimligt mycket tid med en klassisk dator.

Dr Datta tillägger:"Det vi är intresserade av är att designa eller identifiera sätt att använda dessa kvantmaskiner för att lösa hårda problem inom fysik och kemi, att designa nya kemikalier och material, eller identifiera material med intressanta eller exotiska egenskaper. Och det är därför vi är särskilt intresserade av att beräkningen är korrekt. "