Labs runt om i världen tävlar om att utveckla nya dator- och avkänningsenheter som fungerar enligt kvantmekanikens principer och som kan erbjuda dramatiska fördelar jämfört med sina klassiska motsvarigheter. Men dessa tekniker står fortfarande inför flera utmaningar, och en av de viktigaste är hur man hanterar "brus" - slumpmässiga fluktuationer som kan utplåna data som lagras i sådana enheter.

Ett nytt tillvägagångssätt utvecklat av forskare vid MIT kan ge ett betydande steg framåt i kvantfelskorrigering. Metoden innebär att man finjusterar systemet för att hantera de typer av brus som är mest sannolika, snarare än att kasta ett brett nät för att försöka fånga upp alla möjliga störningskällor.

Analysen beskrivs i tidskriften Fysiska granskningsbrev , i en uppsats av MIT doktorand David Layden, postdoc Mo Chen, och professor i kärnvetenskap och teknik Paola Cappellaro.

"De viktigaste problemen vi nu står inför när vi utvecklar kvantteknologier är att nuvarande system är små och bullriga, " säger Layden. Buller, betyder oönskad störning av något slag, är särskilt irriterande eftersom många kvantsystem till sin natur är mycket känsliga, en funktion som ligger bakom några av deras potentiella tillämpningar.

Och det finns en annan fråga, Layden säger, vilket är att kvantsystem påverkas av alla observationer. Så, medan man kan upptäcka att ett klassiskt system driver och tillämpa en korrigering för att knuffa tillbaka det, saker och ting är mer komplicerade i kvantvärlden. "Vad som verkligen är knepigt med kvantsystem är att när du tittar på dem, du tenderar att kollapsa dem, " han säger.

Klassiska felkorrigeringsscheman är baserade på redundans. Till exempel, i ett kommunikationssystem som utsätts för buller, istället för att skicka en enda bit (1 eller 0), man kan skicka tre exemplar av varje (111 eller 000). Sedan, om de tre bitarna inte matchar, som visar att det var ett fel. Ju fler kopior av varje bit som skickas, desto effektivare kan felkorrigeringen vara.

Samma väsentliga princip skulle kunna tillämpas för att lägga till redundans i kvantbitar, eller "qubits". Men, Layden säger, "Om jag vill ha en hög grad av skydd, Jag måste ägna en stor del av mitt system åt att göra den här typen av kontroller. Och detta är en icke-startare just nu eftersom vi har ganska små system; vi har helt enkelt inte resurserna att göra särskilt användbar kvantfelskorrigering på vanligt sätt." Så istället, forskarna hittade ett sätt att rikta felkorrigeringen mycket snävt mot de specifika typer av brus som var vanligast.

Kvantsystemet de arbetar med består av kolkärnor nära en viss typ av defekt i en diamantkristall som kallas ett kvävevakanscenter. Dessa defekter beter sig som singel, isolerade elektroner, och deras närvaro möjliggör kontroll av de närliggande kolkärnorna.

Men teamet fann att den överväldigande majoriteten av bullret som påverkade dessa kärnor kom från en enda källa:slumpmässiga fluktuationer i de närliggande defekterna själva. Denna bruskälla kan noggrant modelleras, och att undertrycka dess effekter kan ha en stor inverkan, eftersom andra bullerkällor är relativt obetydliga.

"Vi förstår faktiskt ganska väl den huvudsakliga bruskällan i dessa system, " säger Layden. "Så vi behöver inte kasta ett brett nät för att fånga upp varje hypotetisk typ av ljud."

Teamet kom på en annan felkorrigeringsstrategi, skräddarsydd för att motverka just detta, dominerande bullerkälla. Som Layden beskriver det, bruset kommer från "denna centrala defekt, eller den här centrala elektronen, ' som har en tendens att hoppa runt på måfå. Det skakar."

Det där darret, i tur och ordning, känns av alla närliggande kärnor, på ett förutsägbart sätt som kan korrigeras.

"Resultatet av vårt tillvägagångssätt är att vi kan få en fast skyddsnivå med mycket färre resurser än vad som annars skulle behövas, " säger han. "Vi kan använda ett mycket mindre system med detta riktade tillvägagångssätt."

Arbetet hittills är teoretiskt, och teamet arbetar aktivt med en labbdemonstration av denna princip i praktiken. Om det fungerar som förväntat, detta kan utgöra en viktig komponent i framtida kvantbaserade teknologier av olika slag, säger forskarna, inklusive kvantdatorer som potentiellt skulle kunna lösa tidigare olösliga problem, eller kvantkommunikationssystem som kan vara immuna mot snokning, eller mycket känsliga sensorsystem.

"Det här är en komponent som kan användas på ett antal sätt, " säger Layden. "Det är som om vi utvecklar en nyckeldel av en motor. Vi är fortfarande ett sätt från att bygga en full bil, men vi har gjort framsteg på en kritisk del."

"Kvantfelskorrigering är nästa utmaning för fältet, säger Alexandre Blais, en professor i fysik vid University of Sherbrooke, i Kanada, som inte var förknippad med detta arbete. "Komplexiteten hos nuvarande kvantfelskorrigerande koder är, dock, skrämmande eftersom de kräver ett mycket stort antal qubits för att robust koda kvantinformation."

Blais tillägger, "Vi har nu insett att det kan vara mycket fördelaktigt att utnyttja vår förståelse för de enheter där kvantfelskorrigering ska implementeras. Detta arbete ger ett viktigt bidrag i denna riktning genom att visa att en vanlig typ av fel kan korrigeras för i ett mycket effektivare sätt än förväntat. För att kvantdatorer ska bli praktiska behöver vi fler sådana här idéer."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.