Forskare vid Duke University och University of Maryland har använt frekvensen av mätningar på en kvantdator för att få en inblick i kvantfenomenen med fasförändringar – något som är analogt med att vatten förvandlas till ånga.

Genom att mäta antalet operationer som kan implementeras på ett kvantberäkningssystem utan att utlösa kollapsen av dess kvanttillstånd, fick forskarna insikt i hur andra system – både naturliga och beräkningsmässiga – möter sina vändpunkter mellan faserna. Resultaten ger också vägledning för datavetare som arbetar med att implementera kvantfelskorrigering som så småningom kommer att göra det möjligt för kvantdatorer att uppnå sin fulla potential.

Resultaten publicerades online den 3 juni i tidskriften Nature Physics .

När vattnet värms upp till en kokning, utvecklas molekylernas rörelse när temperaturen ändras tills den når en kritisk punkt när den börjar övergå till ånga. På ett liknande sätt kan ett kvantberäkningssystem alltmer manipuleras i diskreta tidssteg tills dess kvanttillstånd kollapsar till en enda lösning.

"Det finns djupa kopplingar mellan faser av materia och kvantteori, vilket är det som är så fascinerande med det", säger Crystal Noel, biträdande professor i elektro- och datorteknik och fysik vid Duke. "Kvantberäkningssystemet beter sig på samma sätt som kvantsystem som finns i naturen - som vätska som ändras till ånga - även om det är digitalt."

Kraften hos kvantdatorer ligger i deras qubits förmåga att vara en kombination av både en 1 och 0 samtidigt, med en exponentiell ökning av systemkomplexiteten när fler qubits läggs till. Detta tillåter dem att tackla ett problem med massiv parallellism, som att försöka passa ihop ett pusselbitar på en gång snarare än en i taget. Qubitarna måste dock kunna behålla sin kvantbeslutsamhet tills en lösning uppnås.

En av många utmaningar som detta ger är felkorrigering. Vissa av qubits kommer oundvikligen att förlora en bit information, och systemet måste kunna upptäcka och åtgärda dessa misstag. Men eftersom kvantsystem förlorar sin "kvantitet" när de mäts, är det en knepig uppgift att hålla utkik efter fel. Även med extra qubits som håller ett öga på saker och ting, ju mer en kvantalgoritm undersöks efter fel, desto större är sannolikheten att den misslyckas.

"Som vattenmolekyler på gränsen till att bli ånga, finns det en tröskel för mätningar som en kvantdator kan motstå innan den förlorar sin kvantinformation," sa Noel. "Och det antalet mätningar är en analogi för hur många fel datorn tål och fortfarande fungerar korrekt."

I den nya artikeln undersöker Noel och hennes kollegor denna övergångströskel och systemets tillstånd på båda sidor.

I nära samarbete med Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Engineering and Physics vid Duke, Marko Cetina, biträdande professor i fysik vid Duke, och Michael Gullans och Alexey Gorshkov vid University of Maryland och National Institute of Standards and Technology, gruppsamdesignad programvara för att köra slumpmässiga kvantkretsar skräddarsydda för deras kvantsystems förmågor. Experimentet kördes på en av Duke Quantum Centers jonfälla kvantdatorer – ett av de mest kraftfulla kvantberäkningssystemen i världen.

"Antalet qubits i systemet, driftsäkerheten och nivån av systemautomatisering kombinerat samtidigt är unikt för detta kvantdatorsystem," sa Noel. "Andra system har kunnat uppnå var och en individuellt, men aldrig alla tre samtidigt i ett akademiskt system. Det var det som gjorde att vi kunde köra dessa experiment."

Genom att ta ett medelvärde över många slumpmässiga kretsar kunde teamet se hur mätfrekvensen påverkade qubits. Som förutspått uppstod en kritisk punkt där systemet oundvikligen förlorade sin koherens och kvantinformation, och genom att titta på hur systemet betedde sig på båda sidor av den fasövergången, kommer forskare att kunna bygga bättre metoder för felkorrigeringskoder i framtid.

Data ger också en unik inblick i hur andra fasförändringar sker i naturen som forskare aldrig har kunnat se tidigare.

"Denna demonstration är ett perfekt exempel på vad vi gör unikt på Duke Quantum Center," sa Monroe. "Medan våra kvantdatorer är gjorda av atomer som är under utsökt kontroll med elektromagnetiska fällor, lasrar och optik, kan vi använda dessa system för att göra något helt annat, i det här fallet undersöka den underliggande kvantnaturen hos fasövergångar. Samma kvantdator kan också användas för att lösa irriterande modeller inom områden som sträcker sig från kemiska reaktioner, DNA-sekvensering och astrofysik. Detta kräver expertis inte bara inom atomfysik, utan inom systemteknik, datavetenskap och vilket område som än definierar applikationen som ska köras." + Utforska vidare

Felfri kvantberäkning blir verklig