Översikt över en feltolerant neutral atom kvantdator som använder raderingskonvertering. a Schematisk av en neutral atom kvantdator, med ett plan av atomer under ett mikroskopobjektiv som används för att avbilda fluorescens och projicera fångst- och kontrollfält. b De fysiska qubits är individuella 171 Yb-atomer. Qubit-tillstånden är kodade i de metastabila 6s 6p 3 P0 F = 1/2 nivå (delrum Q), och två-qubit-grindar utförs via Rydberg-tillståndet |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle, som nås genom en enkelfotonövergång (λ = 302 nm) med Rabi-frekvens Ω. De dominerande felen under grindar är avklingningar från |r⟩|r⟩\left|r\right\rangle med en total hastighet Γ = ΓB + ΓR + ΓQ . Endast en liten bråkdel ΓQ /Γ ≈ 0,05 återgår till qubit-delutrymmet, medan de återstående sönderfallen är antingen blackbody-övergångar (BBR) till närliggande Rydberg-tillstånd (ΓB /Γ ≈ 0,61) eller strålningssönderfall till grundtillståndet 6s 2 1 S 0 (ΓR /Γ ≈ 0,34). I slutet av en grind kan dessa händelser detekteras och omvandlas till raderingsfel genom att detektera fluorescens från grundtillståndsatomer (subspace R), eller jonisera eventuell kvarvarande Rydberg-population via autojonisering och samla fluorescens på Yb + övergång (delrum B). c En lapp av XZZX-ytkoden som studerats i detta arbete, som visar data-qubits (öppna cirklar), ancilla-qubits (fyllda cirklar) och stabilisatoroperationer, utförda i den ordning som anges av pilarna. d Kvantkrets som representerar en mätning av en stabilisator på data qubits D 1 − D 4 med hjälp av ancilla A 1 med interfolierade raderingssteg. Raderingsdetektering tillämpas efter varje grind, och raderade atomer ersätts från en reservoar efter behov med hjälp av en rörlig optisk pincett. Det är strikt bara nödvändigt att ersätta den atom som upptäcktes ha lämnat underrummet, men att ersätta båda skyddar mot möjligheten av oupptäckt läckage på den andra atomen. Kredit:Nature Communications (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32094-6
Forskare har upptäckt en ny metod för att korrigera fel i beräkningar av kvantdatorer, vilket potentiellt kan undanröja ett stort hinder för en kraftfull ny datorsfär.
I konventionella datorer är åtgärdande av fel ett välutvecklat område. Varje mobiltelefon kräver kontroller och korrigeringar för att skicka och ta emot data över röriga etervågor. Kvantdatorer erbjuder enorm potential för att lösa vissa komplexa problem som är omöjliga för konventionella datorer, men denna kraft beror på att man utnyttjar extremt flyktiga beteenden hos subatomära partiklar. Dessa datorbeteenden är så tillfälliga att till och med titta in på dem för att leta efter fel kan få hela systemet att kollapsa.
I en artikel som beskriver en ny teori för felkorrigering, publicerad 9 augusti i Nature Communications , ett tvärvetenskapligt team ledd av Jeff Thompson, docent i el- och datorteknik vid Princeton, och samarbetspartnerna Yue Wu och Shruti Puri vid Yale University och Shimon Kolkowitz vid University of Wisconsin-Madison, visade att de dramatiskt kunde förbättra en kvantdators tolerans för fel och minska mängden redundant information som behövs för att isolera och åtgärda fel. Den nya tekniken ökar den acceptabla felfrekvensen fyra gånger, från 1 % till 4 %, vilket är praktiskt för kvantdatorer som för närvarande är under utveckling.
"Den grundläggande utmaningen för kvantdatorer är att de operationer du vill göra är bullriga," sade Thompson, vilket menar att beräkningar är benägna att misslyckas i otaliga sätt.
I en konventionell dator kan ett fel vara så enkelt som att en bit minne av misstag växlar från en 1 till en 0, eller så rörigt som att en trådlös router stör en annan. Ett vanligt tillvägagångssätt för att hantera sådana fel är att bygga in viss redundans, så att varje databit jämförs med dubbletter. Men det tillvägagångssättet ökar mängden data som behövs och skapar fler möjligheter för fel. Därför fungerar det bara när den stora majoriteten av informationen redan är korrekt. Annars leder en kontroll av felaktig data mot felaktig data djupare in i en grop av fel.
"Om din baslinjefelfrekvens är för hög är redundans en dålig strategi," sa Thompson. "Att komma under den tröskeln är den största utmaningen."
Istället för att enbart fokusera på att minska antalet fel, gjorde Thompsons team i huvudsak fel mer synliga. Teamet grävde djupt i de faktiska fysiska orsakerna till fel och konstruerade sitt system så att den vanligaste felkällan effektivt eliminerar, snarare än att bara korrumpera, skadad data. Thompson sa att det här beteendet representerar en viss typ av fel som kallas ett "raderingsfel", vilket i grunden är lättare att rensa bort än data som är skadad men som fortfarande ser ut som all annan data.
I en konventionell dator, om ett paket med förment överflödig information kommer över som 11001, kan det vara riskabelt att anta att de lite vanligare ettorna är korrekta och nollorna är fel. Men om informationen framstår som 11XX1, där de skadade bitarna är uppenbara, är fallet mer övertygande.
"Dessa raderingsfel är mycket lättare att korrigera eftersom du vet var de är," sa Thompson. "De kan uteslutas från majoriteten. Det är en stor fördel."
Raderingsfel är välkända inom konventionell datoranvändning, men forskare hade inte tidigare övervägt att försöka konstruera kvantdatorer för att omvandla fel till raderingar, sa Thompson.
Rent praktiskt skulle deras föreslagna system kunna motstå en felfrekvens på 4,1 %, vilket Thompson sa är väl inom möjligheterna för nuvarande kvantdatorer. I tidigare system kunde den toppmoderna felkorrigeringen hantera mindre än 1 % fel, vilket Thompson sa är på kanten av kapaciteten hos vilket som helst nuvarande kvantsystem med ett stort antal qubits.
Teamets förmåga att generera raderingsfel visade sig vara en oväntad fördel från ett val Thompson gjorde för flera år sedan. Hans forskning utforskar "neutrala atom-qubits", där kvantinformation (en "qubit") lagras i en enda atom. De banade väg för användningen av grundämnet ytterbium för detta ändamål. Thompson sa att gruppen valde ytterbium delvis för att den har två elektroner i sitt yttersta lager av elektroner, jämfört med de flesta andra neutrala atom-qubits, som bara har en.
"Jag tänker på det som en schweizisk armékniv, och detta ytterbium är den större, fetare schweiziska armékniven," sa Thompson. "Den där lilla extra komplexiteten du får av att ha två elektroner ger dig många unika verktyg."
En användning av de extra verktygen visade sig vara användbar för att eliminera fel. Teamet föreslog att man skulle pumpa elektronerna i ytterbium och från deras stabila "grundtillstånd" till exciterade tillstånd som kallas "metastabila tillstånd", som kan vara långlivade under rätt förhållanden men är i sig bräckliga. Motintuitivt föreslår forskarna att använda dessa tillstånd för att koda kvantinformationen.
"Det är som om elektronerna är på lina," sa Thompson. Och systemet är konstruerat så att samma faktorer som orsakar fel också får elektronerna att falla av linan.
Som en bonus, när de väl faller till grundtillståndet, sprider elektronerna ljus på ett mycket synligt sätt, så att lysa ett ljus på en samling ytterbium-qubits gör att bara de felaktiga tänds. De som lyser ska skrivas av som fel.
Detta framsteg krävde en kombination av insikter i både kvantberäkningshårdvara och teorin om kvantfelskorrigering, vilket utnyttjade forskargruppens tvärvetenskapliga karaktär och deras nära samarbete. Även om mekaniken i den här installationen är specifik för Thompsons ytterbiumatomer, sa han att idén om att konstruera kvantkvantbitar för att generera raderingsfel kan vara ett användbart mål i andra system – av vilka det finns många under utveckling runt om i världen – och är något som gruppen fortsätter att arbeta med.
"Vi ser det här projektet som att lägga ut en slags arkitektur som kan tillämpas på många olika sätt," sa Thompson och tillade att andra grupper redan har börjat konstruera sina system för att omvandla fel till raderingar. "Vi ser redan mycket intressant med att hitta anpassningar för detta arbete."
Som ett nästa steg arbetar Thompsons grupp nu med att demonstrera konverteringen av fel till raderingar i en liten fungerande kvantdator som kombinerar flera tiotals qubits.
Uppsatsen, "Radera konvertering för feltolerant kvantberäkning i alkaliska jordartsmetaller Rydberg atom arrays," publicerades 9 augusti i Nature Communications . + Utforska vidare
