Pobodys nerfekt – inte ens den likgiltiga, beräkning av bitar som är grunden för datorer. Men JQI-kollegan Christopher Monroes grupp, tillsammans med kollegor från Duke University, har gjort framsteg mot att säkerställa att vi kan lita på resultaten av kvantdatorer även när de är byggda av delar som ibland misslyckas. De har visat i ett experiment, för första gången, att en sammansättning av kvantberäkningsbitar kan vara bättre än de sämsta delarna som används för att göra den. I en artikel publicerad i tidningen Natur den 4 oktober, 2021, teamet delade hur de tog detta landmärkesteg mot tillförlitlighet, praktiska kvantdatorer.

I deras experiment, forskarna kombinerade flera qubits – kvantversionen av bitar – så att de fungerade tillsammans som en enda enhet som kallas en logisk qubit. De skapade den logiska qubiten baserat på en kvantfelskorrigeringskod så att, till skillnad från för de individuella fysiska qubits, fel kan lätt upptäckas och korrigeras, och de gjorde det till att vara feltolerant – kapabelt att innehålla fel för att minimera deras negativa effekter.

"Qubits som består av identiska atomjoner är naturligt mycket rena i sig själva, säger Monroe, som också är Fellow vid Joint Center for Quantum Information and Computer Science och en College Park Professor vid Institutionen för fysik vid University of Maryland. "Dock, vid något tillfälle, när många qubits och operationer krävs, fel måste minskas ytterligare, och det är enklare att lägga till fler qubits och koda information annorlunda. Det fina med felkorrigeringskoder för atomjoner är att de kan vara mycket effektiva och kan slås på flexibelt genom mjukvarukontroller."

Detta är första gången som en logisk qubit har visat sig vara mer tillförlitlig än det mest felbenägna steget som krävs för att göra det. Teamet lyckades sätta den logiska qubiten i sitt starttillstånd och mäta den 99,4 % av gångerna, trots att de förlitar sig på sex kvantoperationer som individuellt förväntas fungera endast cirka 98,9 % av tiden.

Det kanske inte låter som någon stor skillnad, men det är ett avgörande steg i strävan att bygga mycket större kvantdatorer. Om de sex kvantoperationerna var löpande bandarbetare, var och en fokuserade på en uppgift, löpande bandet skulle bara producera det korrekta initiala tillståndet 93,6 % av tiden (98,9 % multiplicerat med sig själv sex gånger) – ungefär tio gånger värre än felet som uppmätts i experimentet. Den förbättringen beror på att de ofullkomliga delarna i experimentet arbetar tillsammans för att minimera risken för att kvantfel förvärrar och förstör resultatet, liknar vaksamma arbetare som fångar varandras misstag.

Resultaten uppnåddes med Monroes jonfällningssystem vid UMD, som använder upp till 32 individuella laddade atomer—joner—som kyls med lasrar och hängs över elektroder på ett chip. De använder sedan varje jon som en qubit genom att manipulera den med lasrar.

"Vi har 32 laserstrålar, " säger Monroe. "Och atomerna är som ankor på rad; var och en med sin egen fullt kontrollerbara laserstråle. Jag tänker på det som att atomerna bildar en linjär sträng och vi plockar den som en gitarrsträng. Vi plockar den med lasrar som vi slår på och av på ett programmerbart sätt. Och det är datorn; det är vår centralenhet."

Genom att framgångsrikt skapa en feltolerant logisk qubit med detta system, forskarna har visat att försiktig, kreativ design har potentialen att frigöra kvantberäkningar från begränsningen av de oundvikliga felen i den nuvarande teknikens ståndpunkt. Feltoleranta logiska qubits är ett sätt att kringgå felen i moderna qubits och kan vara grunden för kvantdatorer som är både tillförlitliga och tillräckligt stora för praktisk användning.

Rätta fel och tolerera fel

Att utveckla feltoleranta qubits som kan felkorrigera är viktigt eftersom Murphys lag är obeveklig:oavsett hur väl du bygger en maskin, något går så småningom fel. I en dator, vilken bit eller qubit som helst har en chans att ibland misslyckas med sitt jobb. Och de många qubits som ingår i en praktisk kvantdator innebär att det finns många möjligheter för fel att smyga sig in.

Lyckligtvis, Ingenjörer kan designa en dator så att dess delar samverkar för att fånga upp fel – som att säkerhetskopiera viktig information till en extra hårddisk eller låta en andra person läsa ditt viktiga e-postmeddelande för att fånga stavfel innan du skickar det. Både människorna eller enheterna måste förstöra för att ett misstag ska överleva. Även om det tar mer arbete att slutföra uppgiften, redundansen hjälper till att säkerställa den slutliga kvaliteten.

Vissa vanliga tekniker, som mobiltelefoner och höghastighetsmodem, använder för närvarande felkorrigering för att säkerställa kvaliteten på överföringar och undvika andra olägenheter. Felkorrigering med enkel redundans kan minska risken för ett oupptäckt fel så länge din procedur inte är fel oftare än den är rätt – till exempel, att skicka eller lagra data i tre exemplar och lita på majoritetens röst kan minska risken för ett fel från en på hundra till mindre än en på tusen.

Så även om perfektion kanske aldrig är inom räckhåll, felkorrigering kan göra en dators prestanda så bra som krävs, så länge du har råd med priset för att använda extra resurser. Forskare planerar att använda kvantfelskorrigering för att på liknande sätt komplettera sina ansträngningar för att göra bättre kvantbitar och låta dem bygga kvantdatorer utan att behöva erövra alla de fel som kvantenheter lider av.

"Vad är fantastiskt med feltolerans, är det ett recept för hur man tar små opålitliga delar och gör dem till en mycket pålitlig enhet, säger Kenneth Brown, en professor i el- och datateknik vid Duke och en medförfattare på tidningen. "Och feltoleranta kvantfelskorrigeringar kommer att göra det möjligt för oss att göra mycket pålitliga kvantdatorer från felaktiga kvantdelar."

Men kvantfelskorrigering har unika utmaningar – kvantbitar är mer komplexa än traditionella bitar och kan gå fel på fler sätt. Du kan inte bara kopiera en qubit, eller helt enkelt kontrollera dess värde mitt i en beräkning. Hela anledningen till att qubits är fördelaktiga är att de kan existera i en kvantöverlagring av flera tillstånd och kan bli kvantmekaniskt intrasslade med varandra. För att kopiera en qubit måste du veta exakt vilken information den lagrar för närvarande - i fysiska termer måste du mäta den. Och en mätning sätter den i ett enda väldefinierat kvanttillstånd, förstöra all överlagring eller förveckling som kvantberäkningen bygger på.

Så för kvantfelskorrigering, du måste rätta till fel i bitar som du inte får kopiera eller ens titta på för noggrant. Det är som att korrekturläsa med ögonbindel. I mitten av 1990-talet forskare började föreslå sätt att göra detta med hjälp av kvantmekanikens finesser, men kvantdatorer har precis nått den punkt där de kan sätta teorierna på prov.

Nyckelidén är att göra en logisk qubit av redundanta fysiska qubits på ett sätt som kan kontrollera om qubits är överens om vissa kvantmekaniska fakta utan att någonsin veta tillståndet för någon av dem individuellt.

Kan inte förbättra atomen

Det finns många föreslagna kvantfelskorrigeringskoder att välja mellan, och vissa är mer naturliga passningar för ett särskilt tillvägagångssätt för att skapa en kvantdator. Varje sätt att göra en kvantdator har sina egna typer av fel såväl som unika styrkor. Så att bygga en praktisk kvantdator kräver förståelse och arbete med de speciella fel och fördelar som ditt tillvägagångssätt ger bordet.

Den jonfälla-baserade kvantdatorn som Monroe och kollegor arbetar med har fördelen att deras individuella qubits är identiska och mycket stabila. Eftersom qubits är elektriskt laddade joner, varje qubit kan kommunicera med alla andra i linjen genom elektriska knuffar, ger frihet jämfört med system som behöver en solid koppling till närmaste grannar.

"De är atomer av ett visst element och isotop så de är perfekt replikerbara, " säger Monroe. "Och när du lagrar koherens i qubits och du lämnar dem ifred, den existerar i princip för evigt. Så qubit när den lämnas ensam är perfekt. För att använda den qubiten, vi måste peta i den med laser, vi måste göra saker åt det, vi måste hålla fast vid atomen med elektroder i en vakuumkammare, alla dessa tekniska saker har brus på sig, och de kan påverka qubiten."

För Monroes system, den största källan till fel är intrasslande operationer – skapandet av kvantlänkar mellan två kvantbitar med laserpulser. Entangling operationer är nödvändiga delar av att driva en kvantdator och för att kombinera qubits till logiska qubits. Så även om teamet inte kan hoppas på att få sina logiska qubits att lagra information mer stabilt än de individuella jon-qubits, att korrigera de fel som uppstår när qubits trasslar in är en viktig förbättring.

Forskarna valde Bacon-Shor-koden som en bra matchning för fördelarna och svagheterna med deras system. För detta projekt, de behövde bara 15 av de 32 joner som deras system kan stödja, och två av jonerna användes inte som qubits utan behövdes bara för att få ett jämnt avstånd mellan de andra jonerna. För koden, de använde nio qubits för att redundant koda en enda logisk qubit och fyra ytterligare qubits för att välja ut platser där potentiella fel uppstod. Med den informationen, de detekterade felaktiga qubits kan, i teorin, korrigeras utan att "kvantiteten" hos qubitarna äventyras genom att mäta tillståndet för någon enskild qubit.

"Nyckeldelen av kvantfelskorrigering är redundans, det är därför vi behövde nio qubits för att få en logisk qubit, " säger JQI doktorand Laird Egan, som är den första författaren till tidningen. "Men den redundansen hjälper oss att leta efter fel och korrigera dem, eftersom ett fel på en enda qubit kan skyddas av de andra åtta."

Teamet använde framgångsrikt Bacon-Shor-koden med jonfällningssystemet. Den resulterande logiska qubiten krävde sex intrasslingsoperationer – var och en med en förväntad felfrekvens på mellan 0,7 % och 1,5 %. Men tack vare den noggranna designen av koden, dessa fel kombineras inte till en ännu högre felfrekvens när entanglement-operationerna användes för att förbereda den logiska qubiten i dess initiala tillstånd.

Teamet observerade bara ett fel i qubitens förberedelse och mätning 0,6 % av tiden - mindre än det lägsta fel som förväntades för någon av de individuella intrasslingsoperationerna. Teamet kunde sedan flytta den logiska qubiten till ett andra tillstånd med ett fel på bara 0,3 %. Teamet introducerade också avsiktligt fel och visade att de kunde upptäcka dem.

"Detta är verkligen en demonstration av kvantfelskorrigering som förbättrar prestandan för de underliggande komponenterna för första gången, " säger Egan. "Och det finns ingen anledning att andra plattformar inte kan göra samma sak när de skalar upp. Det är verkligen ett bevis på att kvantfelskorrigering fungerar."

När teamet fortsätter detta arbete, de säger att de hoppas kunna nå liknande framgångar med att bygga ännu mer utmanande kvantlogiska portar ur sina qubits, utföra fullständiga cykler av felkorrigering där de upptäckta felen aktivt korrigeras, och intrassling av flera logiska qubits tillsammans.

"Fram till denna tidning, alla har fokuserat på att göra en logisk qubit, " säger Egan. "Och nu när vi har gjort en, var som, 'Enstaka logiska qubits fungerar, så vad kan du göra med två?'"

Förutom Monroe, Brown och Egan, de andra medförfattarna till artikeln är följande:JQI-forskaren Marko Cetina; JQI doktorander Andrew Risinger, Daiwei Zhu och Debopriyo Biswas; Duke University fysik doktorand Dripto M. Debroy; Duke University postdoktorala forskare Crystal Noel och Michael Newman; och Georgia Institute of Technology doktorand Muyuan Li.