Oavsett vad som utgör inre i en kvantdator, dess snabba beräkningar kokar alla ner till sekvenser av enkla instruktioner som tillämpas på qubits - de grundläggande informationsenheterna inuti en kvantdator.

Huruvida den datorn är byggd av jonkedjor, kopplingar av supraledare, eller kiselchips, det visar sig att en handfull enkla operationer, som bara påverkar en eller två qubits åt gången, kan blanda och matcha för att skapa vilket kvantdatorprogram som helst – en funktion som gör en viss handfull "universell". Forskare kallar dessa enkla operationer för kvantportar, och de har ägnat år åt att optimera hur grindar passar ihop. De har minskat antalet grindar (och qubits) som krävs för en given beräkning och upptäckt hur man gör allt samtidigt som de säkerställer att fel inte smyger sig in och orsakar ett misslyckande.

Nu, forskare vid JQI har upptäckt sätt att implementera robusta, felresistenta grindar med bara ett konstant antal enkla byggstenar-uppnå i huvudsak bästa möjliga minskning av en parameter som kallas kretsdjup. Deras resultat, som gäller kvantdatorer baserade på topologiska kvantfelskorrigerande koder, rapporterades i två artiklar som nyligen publicerats i tidskrifterna Fysiska granskningsbrev och Fysisk granskning B , och utvidgades i en tredje artikel publicerad tidigare i tidskriften Kvant.

Kretsdjup räknar antalet portar som påverkar varje qubit, och ett konstant djup betyder att antalet grindar som behövs för en given operation inte kommer att öka när datorn växer – en nödvändighet om fel ska hållas borta. Detta är en lovande funktion för robusta och universella kvantdatorer, säger Maissam Barkeshli, en JQI -stipendiat och docent i fysik vid University of Maryland (UMD).

"Vi har upptäckt att en enorm klass av operationer i topologiska tillstånd av materia och topologiska felkorrigerande koder kan implementeras via enhetliga kretsar med konstant djup, " säger Barkeshli, som också är medlem i Condensed Matter Theory Center vid UMD.

Till skillnad från andra typer av kvantdatorer, kvantdatorer byggda ovanpå topologisk felkorrigering - som hittills bara har studerats teoretiskt - lagrar inte information i enskilda fysiska qubits. Istället, de smetar ut en enda qubits information bland ett nätverk av många qubits - eller, mer exotiskt, över speciella topologiska material.

Denna informationsutsmetning ger motståndskraft mot ströbitar av ljus eller små vibrationer – kvantstörningar som kan orsaka fel – och det gör att små fel kan upptäckas och sedan aktivt korrigeras under en beräkning. Det är en av de främsta fördelarna som kvantdatorer baserade på topologisk felkorrigering erbjuder. Men fördelen har en kostnad:om buller inte lätt kan komma till informationen, det kan inte du heller.

Fram tills nu verkade det som att driften av en sådan kvantdator krävde små, sekventiella ändringar av nätverket som lagrar informationen – ofta avbildat som ett rutnät eller galler i två dimensioner. I tid, dessa små förändringar lägger ihop och flyttar effektivt ett område av gittret i en slinga runt ett annat område, vilket gör att nätverket ser likadant ut som när det startade.

Dessa transformationer av nätverket är kända som flätor eftersom mönstren de spårar ut i rum och tid ser ut som flätat hår eller en flätad brödlimpa. Om du föreställer dig att stapla ögonblicksbilder av nätverket som pannkakor, de kommer att forma – steg för steg – en abstrakt fläta. Beroende på den underliggande fysiken i nätverket – inklusive typerna av partiklar, ringde vem som helst, som kan hoppa runt på den – dessa flätor kan räcka för att köra vilket kvantprogram som helst.

I det nya arbetet, författarna visade att flätning kan utföras nästan omedelbart. Borta är de knutna diagrammen, ersättas av omarrangemang på plats av nätverket.

"Det var en slags läroboksdogm att dessa flätor bara kan göras adiabatiskt eller mycket långsamt för att undvika att skapa fel i processen, säger Guanyu Zhu, en tidigare JQI postdoktoral forskare som för närvarande är forskare vid IBM Thomas J. Watson Research Center. "Dock, i det här arbetet, vi insåg att istället för att långsamt flytta regioner med vem som helst runt varandra, vi kunde bara sträcka eller klämma utrymmet mellan dem i ett konstant antal steg."

Det nya receptet kräver två ingredienser. En är möjligheten att göra lokala modifieringar som omkonfigurerar interaktionerna mellan de fysiska qubits som utgör nätverket. Den här delen skiljer sig inte så mycket från vad vanlig flätning kräver, men det antas ske parallellt över regionen som flätas. Den andra ingrediensen är förmågan att byta information om fysiska qubits som inte är nära varandra – eventuellt även i motsatta hörn av flätningsområdet.

Det här andra kravet är ett stort krav på lite kvantdatorhårdvara, men författarna säger att det finns system som naturligtvis skulle kunna stödja det.

"En mängd olika experimentella plattformar med långdistansanslutning kan stödja vårt system, inklusive jonfällor, krets QED-system med långa transmissionsledningsresonatorer, modulära arkitekturer med supraledande kaviteter, och kiselfotoniska enheter, "säger Zhu." Eller så kan du tänka dig att använda plattformar med rörliga qubits. Man kan tänka på sådana plattformar som flytande kvantdatorer, där qubits fritt kan flöda runt via klassisk rörelse."

I tidningen i Fysiska granskningsbrev , författarna gav uttryckliga instruktioner för hur man uppnår sina momentana flätor i en viss klass av topologiska kvantkoder. I Fysisk granskning B och Kvant papper, de utökade detta resultat till en mer allmän miljö och undersökte till och med hur det skulle tillämpas på en topologisk kod i hyperboliskt rymden (där, dessutom, att lägga till en ny utsmetad qubit kräver att man bara lägger till ett konstant antal fysiska qubits till nätverket).

Författarna har ännu inte tagit reda på hur deras nya flätningstekniker kommer att passa ihop med de ytterligare målen att upptäcka och korrigera fel; det förblir ett öppet problem för framtida forskning.

"Vi hoppas att våra resultat i slutändan kan vara användbara för att etablera möjligheten till feltolerant kvantberäkning med konstant rum-tid overhead, säger Barkeshli.