När datorer delar information med varandra, informationen blir kodad i bitar, avkodas sedan tillbaka till sin ursprungliga form. I processen, bitar av informationen blir ibland förvirrad, eller förlorad. Som ett förenklat exempel, ett felaktigt avkodat e -postmeddelande som säger "Jag skickar nu pengarna till dig" kan komma fram till dess destination och säger "jag skickar inte pengarna till dig."

Ett annat exempel:När du sparar ett dokument på din dator, du förväntar dig att den ska ha samma information när du öppnar den igen. Och, om du ber en dator att lösa ekvationen 2+2, du måste lita på det kommer att spotta ut 4. Detta är ännu viktigare för komplexa ekvationer som du inte kan beräkna själv, som värdena för x, y och z i Diophantine -ekvationen x ³ + y ³ + z ³ =42.

Bane Vasic, en professor i el- och datorteknik och chef för Error Correction Laboratory i University of Arizona College of Engineering, specialiserat sig på felkorrigeringskoder, som säkerställer att informationen som delas och beräknas av datorer avkodas ordentligt innan den anländer till dess destination. Han studerar också feltolerans, eller möjligheten för en dator eller nätverk av datorer att fortsätta fungera när en eller flera av dess komponenter misslyckas.

Vasic har bidragit till att utveckla en klass av felkorrigeringskoder-kallade lågdensitetskontrollkoder, eller LDPC -koder - används i stor utsträckning inom klassisk kommunikation och datalagring. I ett projekt finansierat med 1,1 miljoner dollar från National Science Foundation, Vasic samarbetar med Saikat Guha i James C. Wyant College of Optical Sciences för att testa genomförbarheten av kvant -LDPC -koder i kvantdatorer för första gången.

Tillämpa en klassisk teknik på kvantnätverk

Medan x ³ + y ³ + z ³ =42 är en komplex ekvation, det är möjligt att lösa för x, y och z med klassisk beräkning. Faktiskt, år 2019 använde en grupp forskare ett nätverk av klassiska datorer för att göra just det. Det tog mer än en miljon timmar att beräkna. Quantum computing har potential att lösa ekvationer som den här på bara några sekunder.

"Genom kvantberäkning, vi kommer att kunna analysera mycket komplicerade fenomen, och att lösa problem som inte är lösbara med klassiska datorer. Och detta kommer att göras mycket snabbt, "Vasic sa." Det finns tillämpningar inom biologi; medicin; finanser; simulering av fysisk, kemiska och biologiska system; upptäckten av nya material; och utformningen av molekyler. "

Hur är detta möjligt? Klassisk databehandling lagrar information i enheter som kallas bitar, som finns antingen 0s eller 1s. Quantum computing använder enheter som kallas qubits, som kan existera i flera tillstånd samtidigt. Superpositionen av stater är det som möjliggör extremt snabba, futuristisk databehandling. Dock, som qubits fysiskt förverkligas som subatomära partiklar, detta tillstånd är mycket bräckligt att skapa och underhålla, gör qubits mer benägna att göra fel, eller dekoherens, än bitar.

Teoretiska fysiker spekulerar nu i att qubits också är det som utgör rymdtid, eller universums väv. Och ny forskning har visat att kvantfelkorrigering förklarar varför rymdtid är så robust, trots sina sköra byggstenar.

Faktiskt, qubits är så känsliga att själva mätningen kan orsaka förändringar. Nuvarande, kvantfelkorrigering innebär att man först noggrant observerar qubiterna och registrerar fynd som klassisk information. Sedan, en klassisk dator räknar ut vad som är fel, och forskare överför felkorrigeringsinformationen till kvantsystemet.

"I detta projekt, vi undersöker metoder där vi inte lämnar kvantvärlden, så alla operationer kommer också att vara kvante, "Vasic sa." Vi vill undersöka om avkodning kan göras genom att bearbeta kvantinformation. "

Skicka meddelanden för att dämpa buller

Dagens datorer består av miljarder grundläggande byggstenar som kallas logiska grindar. Dessa grindar tillämpar olika operationer på binär information som bearbetas. Till exempel, en av de enklaste typerna av grindar är en NOT -grind, som omvandlar bitar till sina motsatser genom att ta in 0:or och mata ut 1:or och vice versa. Dock, ibland signalerar störningar och brus gör att grindar gör misstag, vilket leder till felaktiga resultat. Kvantportar utför mer mångsidiga och exotiska operationer än vad deras klassiska släktingar gör, men är mer bullriga och mer benägna att göra fel.

Felkorrigeringar trasslar ihop qubits på ett mycket specifikt sätt så att qubits stabiliserar varandra. Vasics avkodare tillåter qubits att skicka information om varandra fram och tillbaka. Liknande meddelandepassningsalgoritmer används i artificiell intelligens. Ingen av de enskilda bitarna har en fullständig kunskap om värdet av andra bitar, men tillsammans - genom meddelandeöverföring - lär de sig kollektivt om det finns fel och exakt vilka bitar de finns i. Detta nya projekt fokuserar på att utveckla en kvantversion av sådana artificiella intelligensalgoritmer.

"Den största fördelen med LDPC-koder är att de stöder den här typen av meddelandepassande algoritmer, som är fultoleranta, "Vasic sa." I kvantsystem, vi måste ha feltolerans, eftersom, på grund av den högre ljudnivån, kvantportar är storleksordningar bullrigare och mer opålitliga än klassiska logiska grindar. "

Vasic och flera andra tekniska fakultetsmedlemmar är också en del av det nyskapade Center for Quantum Networks, ett fem år, $ 26 miljoner NSF Engineering Research Center ledd av University of Arizona. Mitten, regisserad av Guha, syftar till att lägga grunden för kvante internet, och felkorrigering representerar en kritisk del av satsningen.

"Detta är en saknad bit för att förverkliga kvantdatorer och nätverk, "Vasic sa." Dessa kvant -LDPC -koder är nästa generations koder som kommer att användas, men vi måste utveckla algoritmer för att avkoda effektivt och feltolerant. "

"Med den senaste tiden anställningen av flera nya fakultetsmedlemmar specialiserade på kvantteknik, högskolan och universitetet placerar sig i framkant på detta område, "sa David W. Hahn, Craig M. Berge dekanus vid College of Engineering. "Vi har turen att få forskare som Dr Vasic att ta med sig sin erfarenhet och ovärderliga expertis till bordet."