Kvantdatorer kan överträffa klassiska datorer vid många uppgifter, men bara om de fel som är en oundviklig del av beräkningsuppgifter är isolerade snarare än utbredda händelser. Nu, forskare vid University of Wisconsin-Madison har hittat bevis för att fel är korrelerade över ett helt supraledande kvantberäkningschip – vilket lyfter fram ett problem som måste erkännas och åtgärdas i jakten på feltoleranta kvantdatorer.

Forskarna rapporterar sina resultat i en studie som publicerades den 16 juni i tidningen Natur , Viktigt, deras arbete pekar också på begränsningsstrategier.

"Jag tror att folk har närmat sig problemet med felkorrigering på ett alltför optimistiskt sätt, blint gör antagandet att fel inte är korrelerade, " säger UW-Madison fysikprofessor Robert McDermott, senior författare till studien. "Våra experiment visar absolut att fel är korrelerade, men när vi identifierar problem och utvecklar en djup fysisk förståelse, vi kommer att hitta sätt att kringgå dem."

Bitarna i en klassisk dator kan antingen vara en 1 eller en 0, men kvantbitarna i en kvantdator kan vara 1, 0, eller en godtycklig blandning - en superposition - av 1 och 0. Klassiska bitar, sedan, kan bara göra bitflip-fel, som när en 1 vänds till 0. Qubits, dock, kan göra två typer av fel:bitflip eller phase flips, där ett kvantöverlagringstillstånd förändras.

För att åtgärda fel, datorer måste övervaka dem när de händer. Men kvantfysikens lagar säger att endast en feltyp kan övervakas åt gången i en enda qubit, så ett smart felkorrigeringsprotokoll som kallas ytkoden har föreslagits. Ytkoden involverar ett stort antal anslutna qubits - vissa gör beräkningsarbetet, medan andra övervakas för att sluta sig till fel i beräkningsqubits. Dock, ytkodsprotokollet fungerar endast tillförlitligt om händelser som orsakar fel är isolerade, påverkar högst några qubits.

I tidigare experiment, McDermotts grupp hade sett antydningar om att något fick flera qubits att vända på samma gång. I denna nya studie, de frågade direkt:är dessa flips oberoende, eller är de korrelerade?

Forskargruppen designade ett chip med fyra qubits gjorda av de supraledande elementen niob och aluminium. Forskarna kyler chipet till nästan absolut noll, vilket gör den supraledande och skyddar den från felorsakande störningar från omgivningen.

För att bedöma om qubit flips var korrelerade, forskarna mätte fluktuationer i offsetladdning för alla fyra qubits. Den fluktuerande offsetladdningen är faktiskt en förändring av det elektriska fältet vid qubit.

Teamet observerade långa perioder av relativ stabilitet följt av plötsliga hopp i offsetladdning. Ju närmare två qubits var tillsammans, desto mer sannolikt var det att de hoppade samtidigt. Dessa plötsliga förändringar orsakades troligen av kosmisk strålning eller bakgrundsstrålning i labbet, som båda släpper ut laddade partiklar. När en av dessa partiklar träffar chipet, det frigör avgifter som påverkar närliggande qubits.

Denna lokala effekt kan lätt mildras med enkla designändringar. Det större problemet är vad som kan hända härnäst.

"Om vår modell om partikelpåverkan är korrekt, då skulle vi förvänta oss att det mesta av energin omvandlas till vibrationer i chipet som fortplantar sig över långa avstånd, "säger Chris Wilen, en doktorand och huvudförfattare till studien. "När energin sprider sig, störningen skulle leda till qubit flips som är korrelerade över hela chippet."

I deras nästa uppsättning experiment, den effekten är precis vad de såg. De mätte laddningshopp i en qubit, som i de tidigare experimenten, använde sedan tidpunkten för dessa hopp för att anpassa mätningar av kvanttillstånden för två andra kvantbitar. Dessa två qubits bör alltid vara i beräkningsläge 1. Ändå fann forskarna att varje gång de såg en laddning hoppa i den första qubiten, de andra två – oavsett hur långt borta på chippet – vände snabbt från det beräkningsmässiga 1-tillståndet till 0-tillståndet.

"Det är en långsiktig effekt, och det är verkligen skadligt, " säger Wilen. "Det förstör kvantinformationen som lagras i qubits."

Även om detta arbete kan ses som ett bakslag i utvecklingen av supraledande kvantdatorer, forskarna tror att deras resultat kommer att styra ny forskning mot detta problem. Grupper på UW-Madison arbetar redan med begränsningsstrategier.

"När vi närmar oss det slutliga målet med en feltolerant kvantdator, vi kommer att identifiera det ena nya problemet efter det andra, " säger McDermott. "Detta är bara en del av processen att lära sig mer om systemet, ger en väg till implementering av mer motståndskraftiga konstruktioner."