Ett av de främsta hindren för kvantdatordesigners – att korrigera felen som smyger sig in i en processors beräkningar – skulle kunna övervinnas med ett nytt tillvägagångssätt av fysiker från National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland och California Institute of Technology, som kan ha hittat ett sätt att designa kvantminnesväxlar som skulle korrigera sig själv.

Teamets teoriuppsats, som finns i dagboken idag Fysiska granskningsbrev , föreslår en enklare väg för att skapa stabila kvantbitar, eller qubits, som vanligtvis är föremål för miljöstörningar och fel. Att hitta metoder för att korrigera dessa fel är ett stort problem inom kvantdatorutveckling, men forskargruppens inställning till qubit-design skulle kunna kringgå problemet.

"Felkorrigering komplicerar en redan komplicerad situation. Det kräver vanligtvis att man bygger in ytterligare qubits och gör ytterligare mätningar för att hitta felen, vilket vanligtvis leder till stora hårdvarukostnader, " sa första författaren Simon Lieu, som arbetar på Joint Quantum Institute (JQI) och Joint Centre for Quantum Information and Computer Science (QuICS), båda samarbeten mellan NIST och University of Maryland. "Vårt system är passivt och autonomt. Det gör allt det där extra arbetet automatiskt."

Designers experimenterar med många metoder för att bygga qubits. En lovande arkitektur kallas en fotonisk kavitetsresonator. Inom sin lilla volym, flera fotoner kan drivas att studsa fram och tillbaka mellan kavitetens reflekterande väggar. Fotonerna, manifesterar sina vågliknande egenskaper i håligheten, kombineras för att bilda krusningsliknande interferensmönster. Mönstren i sig innehåller qubitens information. Det är ett känsligt arrangemang som som krusningar på en damms yta, tenderar att försvinna snabbt.

Den är också lätt störd. Att jobba, qubits behöver lugn och ro. Buller från den omgivande miljön – som värme eller magnetiska fält som emitteras av andra närliggande komponenter – kan störa interferensmönstret och förstöra beräkningen.

Istället för att konstruera ett komplicerat system för att upptäcka, mäta och kompensera för brus och fel, teammedlemmarna uppfattade att om tillgången på fotoner i kaviteten ständigt uppdateras, qubitens kvantinformation tål vissa mängder och typer av brus.

Eftersom kaviteten kan hålla många fotoner, en qubit involverar ett stort antal av dem, bygga i viss redundans. I vissa qubit-designer, läcka fotoner till miljön – en vanlig händelse – innebär att information går förlorad. Men istället för att försvara sig mot den här typen av läckage, teamets tillvägagångssätt innehåller det. Deras kavitets återstående fotoner skulle upprätthålla interferensmönstret tillräckligt länge för att fler fotoner skulle komma in och ersätta de saknade.

En konstant ström av färska fotoner skulle också betyda att om några fotoner i kaviteten blev skadade av brus, de skulle spolas ut tillräckligt snabbt för att skadan inte skulle bli katastrofal. Interferensmönstret kan vackla ett ögonblick, som en damms krusningar skulle göra om en liten sten ramlade in med ett störande plask, men krusningarnas pulserande källor skulle förbli konsekventa, hjälper mönstret – och dess kvantinformation – att återhämta sig snabbt.

"Det är som att tillsätta färskvatten, "Sade Lieu. "Varje gång informationen blir kontaminerad, det faktum att du trycker in vatten och rengör dina rör dynamiskt håller det motståndskraftigt mot skador. Denna övergripande konfiguration är vad som håller dess stabila tillstånd stark."

Tillvägagångssättet skulle inte göra qubitarna resistenta mot alla typer av fel, sa Lieu. Vissa störningar skulle fortfarande kvalificera sig som stänk för dramatiska för systemet att hantera. Dessutom, konceptet gäller främst de fotoniska kaviteterna som teamet övervägde och skulle inte nödvändigtvis bidra till att stärka andra ledande qubit-designer.

Den föreslagna metoden lägger till en arsenal av lovande tekniker för felkorrigering av kvantdatorer, som "topologiska" qubits, som också skulle vara självkorrigerande men kräver ännu inte tillverkade exotiska material. Medan teamet förväntar sig att det nya tillvägagångssättet kommer att vara särskilt användbart för kvantberäkning baserad på mikrovågsfotoner i supraledande arkitekturer, det kan också hitta tillämpningar inom datorer baserade på optiska fotoner.

Teamets arbete bygger på tidigare teoretiska och experimentella ansträngningar på fotoniska qubits. Lieu sa att andra fysiker redan har lagt det mesta av den nödvändiga grunden för att testa lagets förslag experimentellt.

"Vi planerar att nå ut till experimentalister för att testa idén, " sa han. "De skulle bara behöva sätta ihop ett par befintliga ingredienser."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.