Yale-fysiker har utvecklat en felkorrigerande katt-en ny enhet som kombinerar Schrödingers kattbegrepp med superposition (ett fysiskt system som finns i två tillstånd samtidigt) med förmågan att fixa några av de svåraste felen i en kvantberäkning.

Det är Yales senaste genombrott i ansträngningen att bemästra och manipulera fysiken som krävs för en användbar kvantdator:korrigera strömmen av fel som dyker upp bland ömtåliga bitar av kvantinformation, kallas qubits, medan du utför en uppgift.

En ny studie som rapporterar om upptäckten visas i tidskriften Natur . Seniorförfattaren är Michel Devoret, Yales F.W. Beinecke professor i tillämpad fysik och fysik. Studiens första författare är Alexander Grimm, en tidigare postdoktor i Devorets laboratorium som nu är forskare vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz, och Nicholas Frattini, en doktorand i Devorets labb.

Kvantdatorer har potential att förändra en rad branscher, från läkemedel till finansiella tjänster, genom att möjliggöra beräkningar som är storleksordningar snabbare än dagens superdatorer.

Yale - ledd av Devoret, Robert Schoelkopf, och Steven Girvin – fortsätter att bygga på två decennier av banbrytande kvantforskning. Yales tillvägagångssätt för att bygga en kvantdator kallas "krets QED" och använder partiklar av mikrovågsljus (fotoner) i en supraledande mikrovågsresonator.

I en traditionell dator, informationen kodas som antingen 0 eller 1. De enda fel som dyker upp under beräkningar är "bit-flips, "när lite information av misstag går från 0 till 1 eller vice versa. Sättet att korrigera det är genom att bygga in redundans:använda tre" fysiska "informationsbitar för att säkerställa en" effektiv " - eller korrekt - bit.

I kontrast, kvantinformationsbitar-qubits-omfattas av både bit-flips och "phase-flips, " där en qubit slumpmässigt växlar mellan kvantöverlagringar (när två motsatta tillstånd existerar samtidigt).

Tills nu, kvantforskare har försökt åtgärda fel genom att lägga till större redundans, kräver ett överflöd av fysiska qubits för varje effektiv qubit.

Ange katten qubit — uppkallad efter Schrödingers katt, den berömda paradoxen som används för att illustrera begreppet superposition.

Tanken är att en katt placeras i en förseglad låda med en radioaktiv källa och ett gift som kommer att utlösas om en atom av det radioaktiva ämnet sönderfaller. Superpositionsteorin för kvantfysik föreslår att tills någon öppnar lådan, katten är både levande och död, en överlagring av stater. Att öppna lådan för att observera katten får den att plötsligt ändra sitt kvanttillstånd slumpmässigt, tvinga den att vara antingen levande eller död.

"Vårt arbete kommer från en ny idé. Varför inte använda ett smart sätt att koda information i ett enda fysiskt system så att en typ av fel direkt undertrycks?" frågade Devoret.

Till skillnad från de flera fysiska qubits som behövs för att behålla en effektiv qubit, en enda katt qubit kan förhindra fasflips helt av sig själv. Cat qubit kodar en effektiv qubit till superpositioner av två tillstånd inom en enda elektronisk krets - i detta fall en supraledande mikrovågsresonator vars svängningar motsvarar de två tillstånden i cat qubiten.

"Vi uppnår allt detta genom att applicera mikrovågsfrekvenssignaler på en enhet som inte är betydligt mer komplicerad än en traditionell supraledande qubit, Sa Grimm.

Forskarna sa att de kan ändra sin katt-qubit från vilket som helst av dess superpositionstillstånd till vilket annat superpositionstillstånd som helst, på kommando. Dessutom, forskarna utvecklade ett nytt sätt att läsa upp - eller identifiera - informationen som är kodad i qubit.

"Detta gör systemet vi har utvecklat till ett mångsidigt nytt element som förhoppningsvis kommer att kunna användas i många aspekter av kvantberäkning med supraledande kretsar, sa Devoret.