Forskare i Australien har utvecklat en ny metod för att minska de fel som drabbar experimentella kvantdatorer; ett steg som kan ta bort en kritisk vägspärr som hindrar dem att skala upp till fullt fungerande maskiner.

Genom att dra nytta av det oändliga geometriska utrymmet i ett visst kvantsystem som består av bosoner, forskarna, ledd av Dr Arne Grimsmo från University of Sydney, har utvecklat kvantfelkorrigeringskoder som bör minska antalet fysiska kvantomkopplare, eller qubits, krävs för att skala upp dessa maskiner till en användbar storlek.

"Det fina med dessa koder är att de är" plattformsagnostiker "och kan utvecklas för att fungera med ett brett spektrum av kvanthårdvarusystem, "Dr Grimsmo sa.

"Många olika typer av bosoniska felkorrigeringskoder har visats experimentellt, t.ex. kattkoder och binomialkoder, "sade han." Det vi har gjort i vårt papper är att förena dessa och andra koder till en gemensam ram. "

Forskningen, publicerad denna vecka i Fysisk granskning X , skrevs tillsammans med Dr. Joshua Combes från University of Queensland och Dr. Ben Baragiola från RMIT University. Samarbetet finns mellan två ledande kvantforskningscenter i Australien, ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Machines och ARC Center of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology.

Robusta qubits

"Vår förhoppning är att den robusthet som erbjuds genom att" sprida ut saker "i ett oändligt Hilbert -utrymme ger dig en qubit som är mycket robust, eftersom det kan tolerera vanliga fel som fotonförlust, "sa Dr Grimsmo från University of Sydney Nano Institute och School of Physics.

Forskare vid universitet och vid teknikföretag över hela världen arbetar för att bygga en universell, feltolerant kvantdator. Det stora löftet med dessa enheter är att de kan användas för att lösa problem utanför räckhåll för klassiska superdatorer inom så varierade områden som materialvetenskap, läkemedelsupptäckt och säkerhet och kryptografi.

Med Google förra året som förklarade att det har en maskin som har uppnått "quantum supremacy" - som utför en utan tvekan värdelös uppgift men utanför ramen för en klassisk dator - fortsätter intresset för kvantdata och teknik att öka.

Men att bygga en kvantmaskin som kan göra allt som är användbart kommer att kräva tusentals, om inte miljontals kvantbitar som fungerar utan att bli överväldigade av fel.

Och qubits är, av sin natur, fel benägna. Den "kvantitet" som gör att de kan utföra en helt annan typ av beräkning innebär att de är mycket bräckliga och mottagliga för elektromagnetisk och annan störning.

Identifiera, att ta bort och minska fel i kvantberäkning är en av de centrala uppgifter som fysiker som arbetar inom detta område står inför.

Sköra superpositioner

Kvantdatorer utför sina uppgifter genom att koda information med hjälp av kvantöverlagring - en grundläggande aspekt av naturen där ett slutligt resultat av ett fysiskt system är olöst tills det mäts. Fram till den tiden, informationen finns i ett tillstånd med flera möjliga resultat.

Dr Grimsmo sa:"En av de mest grundläggande utmaningarna för att förverkliga kvantdatorer är kvantsuperpositionernas bräckliga natur. Lyckligtvis är det är möjligt att övervinna detta problem med hjälp av kvantfelkorrigering. "

Detta görs genom att koda information redundant, möjliggör korrigering av fel som de sker under en kvantberäkning. Standardmetoden för att uppnå detta är att använda ett stort antal urskiljbara partiklar som informationsbärare. Vanliga exempel är matriser av elektroner, instängda joner eller kvantelektriska kretsar.

Dock, detta skapar ett stort nätverk av 'fysiska qubits' för att driva en enda, logisk qubit som gör det bearbetningsarbete du behöver.

Detta behov av att skapa ett stort nätverk av fysiska qubits för att stödja arbetet med en enda operativ qubit är ett icke-trivialt hinder mot att konstruera storskaliga kvantmaskiner.

Oskiljbara bosoner

Dr Grimsmo sa:"I detta arbete, vi överväger ett alternativt tillvägagångssätt baserat på kodning av kvantinformation i samlingar av bosoner. "Den vanligaste typen av boson är fotonen, ett paket med elektromagnetisk energi och masslös "ljuspartikel".

Genom att fånga bosoner i en viss mikrovågsugn eller optisk hålighet, de blir oskiljbara från varandra, till skillnad från, säga, en uppsättning fångade joner, som kan identifieras med sin plats.

"Fördelen med detta tillvägagångssätt är att ett stort antal bosoner kan fångas i ett enda kvantsystem, såsom fotoner som är fångade i en optisk eller mikrovågshålighet av hög kvalitet, "Dr Grimsmo sa." Detta kan drastiskt minska antalet fysiska system som krävs för att bygga en kvantdator. "

Forskarna hoppas att deras grundläggande arbete kommer att hjälpa till att bygga en färdplan mot feltolerans i kvantberäkning.