En forskare vid University of Sydney har uppnått vad en kvantindustriinsider har beskrivit som "något som många forskare trodde var omöjligt".

Dr Benjamin Brown från Fysikskolan har utvecklat en typ av felkorrigerande kod för kvantdatorer som kommer att frigöra mer hårdvara för att göra användbara beräkningar. Det ger också ett tillvägagångssätt som gör det möjligt för företag som Google och IBM att designa bättre kvantmikrochips.

Han gjorde detta genom att applicera redan känd kod som verkar i tre dimensioner på ett tvådimensionellt ramverk.

"Knepet är att använda tid som den tredje dimensionen. Jag använder två fysiska dimensioner och lägger till i tid som den tredje dimensionen, " sa Dr Brown. "Detta öppnar upp möjligheter som vi inte hade tidigare."

Hans forskning publiceras idag i Vetenskapliga framsteg .

"Det är lite som att sticka, " sa han. "Varje rad är som en endimensionell linje. Du stickar rad efter rad med ull och, över tid, detta ger en tvådimensionell panel av material."

Feltoleranta kvantdatorer

Att minska fel i kvantberäkningar är en av de största utmaningarna som forskare står inför innan de kan bygga maskiner som är tillräckligt stora för att lösa användbara problem.

"Eftersom kvantinformation är så bräcklig, det ger många fel, " sa Dr Brown, en forskare vid University of Sydney Nano Institute.

Att helt utrota dessa fel är omöjligt, så målet är att utveckla en "feltolerant" arkitektur där användbara bearbetningsoperationer vida överväger felkorrigerande operationer.

"Din mobiltelefon eller bärbara dator kommer att utföra miljarder operationer under många år innan ett enda fel utlöser en tom skärm eller något annat fel. Aktuella kvantoperationer har turen att ha färre än ett fel för var 20:e operation - och det betyder miljontals fel en timme, "säger Dr Brown som också innehar en position med ARC Center of Excellence for Engineered Quantum Systems.

"Det är många tappade stygn."

De flesta av byggstenarna i dagens experimentella kvantdatorer – kvantbitar eller kvantbitar – tas upp av "overhead" för felkorrigering.

"Mitt tillvägagångssätt för att undertrycka fel är att använda en kod som fungerar tvärs över arkitekturens yta i två dimensioner. Effekten av detta är att frigöra en hel del av hårdvaran från felkorrigering och låta den komma vidare med de användbara sakerna, " sa Dr Brown.

Dr. Naomi Nickerson är chef för Quantum Architecture på PsiQuantum i Palo Alto, Kalifornien, och utan anknytning till forskningen. Hon sa:"Detta resultat etablerar ett nytt alternativ för att utföra feltoleranta grindar, som har potential att avsevärt minska omkostnaderna och föra praktiska kvantberäkningar närmare. "

Vägen till universell beräkning

Nystartade företag som PsiQuantum, liksom de stora teknikföretagen Google, IBM och Microsoft, leder ansvaret för att utveckla storskalig kvantteknologi. Det är brådskande att hitta felkorrigerande koder som gör att deras maskiner kan skalas upp.

Dr Michael Beverland, en senior forskare på Microsoft Quantum och inte heller kopplad till forskningen, sa:"Denna tidning utforskar en spännande, exotiskt tillvägagångssätt för att utföra feltoleranta kvantberäkningar, pekar vägen mot potentiellt att uppnå universell kvantberäkning i två rumsliga dimensioner utan behov av destillation, något som många forskare trodde var omöjligt."

Tvådimensionella koder som för närvarande finns kräver vad Dr. Beverland kallar destillation, mer exakt kallad 'magisk-statlig destillation'. Det är här som kvantprocessorn sorterar igenom de många beräkningarna och extraherar de användbara.

Detta tuggar upp en hel del datorhårdvara som bara undertrycker felen.

"Jag har tillämpat kraften i den tredimensionella koden och anpassat den till det tvådimensionella ramverket, " sa Dr Brown.

Dr Brown har varit upptagen i år. I mars publicerade han en artikel i topptidskriften fysik Fysiska granskningsbrev med kollegor från EQUS och University of Sydney. I den forskningen utvecklade han och kollegor en avkodare som identifierar och korrigerar fler fel än någonsin tidigare, uppnå världsrekord i felkorrigering.

"Att identifiera de vanligare felen är ett annat sätt vi kan frigöra mer processorkraft för användbara beräkningar, "Dr Brown sa.

Professor Stephen Bartlett är medförfattare till den artikeln och leder forskargruppen för kvantinformationsteori vid University of Sydney.

"Vår grupp i Sydney är mycket fokuserad på att upptäcka hur vi kan skala upp kvanteffekter så att de kan driva storskaliga enheter, sa professor Bartlett, som också är biträdande dekanus för forskning vid naturvetenskapliga fakulteten.

"Dr. Browns arbete har visat hur man gör detta för ett kvantchip. Den här typen av framsteg kommer att göra det möjligt för oss att gå från små antal kvantbitar till mycket stora antal och bygga ultrakraftfulla kvantdatorer som kommer att lösa morgondagens stora problem. "