Att bygga en universell kvantdator av bräckliga kvantkomponenter, effektivt genomförande av kvantfelkorrigering (QEC) är ett väsentligt krav och en central utmaning. QEC används vid kvantberäkning, som har potential att lösa vetenskapliga problem utanför superdatorernas omfattning, för att skydda kvantinformation från fel på grund av olika buller.

Utgiven av tidskriften Natur , forskning medförfattare av University of Massachusetts Amherst fysiker Chen Wang, doktorander Jeffrey Gertler och Shruti Shirol, och postdoktoren Juliang Li tar ett steg mot att bygga en feltolerant kvantdator. De har insett en ny typ av QEC där kvantfelen spontant korrigeras.

Dagens datorer är byggda med transistorer som representerar klassiska bitar (0:or eller 1:or). Kvantberäkning är ett spännande nytt paradigm för beräkning med hjälp av kvantbitar (qubits) där kvantsuperposition kan utnyttjas för exponentiella vinster i processorkraft. Fel-tolerant kvantberäkning kan avsevärt främja upptäckt av nya material, artificiell intelligens, biokemisk teknik och många andra discipliner.

Eftersom qubits i sig är bräckliga, den mest enastående utmaningen med att bygga så kraftfulla kvantdatorer är ett effektivt genomförande av kvantfelkorrigering. Befintliga demonstrationer av QEC är aktiva, vilket innebär att de regelbundet behöver leta efter fel och omedelbart åtgärda dem, vilket är mycket krävande i hårdvaruresurser och därmed hindrar skalning av kvantdatorer.

I kontrast, forskarnas experiment uppnår passiv QEC genom att skräddarsy friktionen (eller spridningen) som qubiten upplever. Eftersom friktion allmänt betraktas som nemesen för kvant koherens, detta resultat kan verka ganska överraskande. Tricket är att spridningen måste utformas specifikt på ett kvantiskt sätt. Denna allmänna strategi har varit känd i teorin i ungefär två decennier, men ett praktiskt sätt att få en sådan spridning och ta den i bruk för QEC har varit en utmaning.

"Även om vårt experiment fortfarande är en ganska rudimentär demonstration, vi har äntligen uppfyllt denna kontraintuitiva teoretiska möjlighet till dissipativ QEC, "säger Chen." Ser fram emot, implikationen är att det kan finnas fler vägar att skydda våra qubits från fel och göra det billigare. Därför, detta experiment väcker utsikterna för att eventuellt bygga en användbar feltolerant kvantdator på medellång till lång sikt. "

Chen beskriver i lekmannas termer hur konstig kvantvärlden kan vara. "Som i den tyska fysikern Erwin Schrödingers berömda (eller ökända) exempel, en katt packad i en sluten låda kan vara död eller levande samtidigt. Varje logisk qubit i vår kvantprocessor är väldigt lik en mini-Schrödingers katt. Faktiskt, vi kallar det bokstavligen en `` kattkvit ''. Att ha många sådana katter kan hjälpa oss att lösa några av världens svåraste problem.

"Tyvärr, det är mycket svårt att hålla en katt kvar så eftersom gas, ljus, eller något som läcker in i lådan kommer att förstöra magin:Katten kommer antingen att bli död eller bara en vanlig levande katt, "förklarar Chen." Den enklaste strategin för att skydda en Schrodingers katt är att göra lådan så tät som möjligt, men det gör det också svårare att använda det för beräkning. Det vi just visade liknade att måla insidan av lådan på ett speciellt sätt och som på något sätt hjälper katten att bättre överleva omvärldens oundvikliga skada. "