Konstnärsavtryck av grindoperationer på logiska kvantbitar, som är skyddade från fel med hjälp av kvantfelskorrigering. Kredit:Johannes Knünz
I moderna datorer har fel under bearbetning och lagring av information blivit en sällsynthet på grund av högkvalitativ tillverkning. För kritiska applikationer, där även enstaka fel kan ha allvarliga effekter, används fortfarande felkorrigeringsmekanismer baserade på redundans av den bearbetade datan.
Kvantdatorer är till sin natur mycket mer mottagliga för störningar och kommer därför troligen alltid att kräva felkorrigeringsmekanismer, eftersom fel annars sprids okontrollerat i systemet och information går förlorad. Eftersom kvantmekanikens grundläggande lagar förbjuder kopiering av kvantinformation, kan redundans uppnås genom att distribuera logisk kvantinformation till ett intrasslat tillstånd av flera fysiska system, till exempel flera individuella atomer.
Teamet som leds av Thomas Monz från Institutionen för experimentell fysik vid universitetet i Innsbruck och Markus Müller från RWTH Aachen University och Forschungszentrum Jülich i Tyskland har nu för första gången lyckats realisera en uppsättning beräkningsoperationer på två logiska kvantbitar som kan användas för att genomföra alla möjliga operationer. "För en verklig kvantdator behöver vi en universell uppsättning portar med vilka vi kan programmera alla algoritmer", förklarar Lukas Postler, en experimentell fysiker från Innsbruck.
Fundamental kvantoperation realiserad
Teamet av forskare implementerade denna universella portuppsättning på en jonfälla kvantdator med 16 fångade atomer. Kvantinformationen lagrades i två logiska kvantbitar, var och en fördelad över sju atomer.
Nu har det för första gången varit möjligt att implementera två beräkningsgrindar på dessa feltoleranta kvantbitar, som är nödvändiga för en universell uppsättning grindar:en beräkningsoperation på två kvantbitar (en CNOT-grind) och en logisk T gate, vilket är särskilt svårt att implementera på feltoleranta kvantbitar.
"T-portar är mycket grundläggande operationer", förklarar teoretisk fysiker Markus Müller. "De är särskilt intressanta eftersom kvantalgoritmer utan T-grindar kan simuleras relativt enkelt på klassiska datorer, vilket förnekar alla möjliga hastigheter. Detta är inte längre möjligt för algoritmer med T-grindar." Fysikerna demonstrerade T-grinden genom att förbereda ett speciellt tillstånd i en logisk kvantbit och teleportera den till en annan kvantbit via en intrasslad grindoperation.
Fundamental building blocks for fault-tolerant quantum computing demonstrated. Kredit:Uni Innsbruck/Harald Ritsch
Complexity increases, but accuracy also
In encoded logical quantum bits, the stored quantum information is protected from errors. But this is useless without computational operations and these operations are themselves error-prone.
The researchers have implemented operations on the logical qubits in such a way that errors caused by the underlying physical operations can also be detected and corrected. Thus, they have implemented the first fault-tolerant implementation of a universal set of gates on encoded logical quantum bits.
"The fault-tolerant implementation requires more operations than non-fault-tolerant operations. This will introduce more errors on the scale of single atoms, but nevertheless the experimental operations on the logical qubits are better than non-fault-tolerant logical operations," Thomas Monz is pleased to report. "The effort and complexity increase, but the resulting quality is better." The researchers also checked and confirmed their experimental results using numerical simulations on classical computers.
The physicists have now demonstrated all the building blocks for fault-tolerant computing on a quantum computer. The task now is to implement these methods on larger and hence more useful quantum computers. The methods demonstrated in Innsbruck on an ion trap quantum computer can also be used on other architectures for quantum computers.
Forskningen publicerades i Nature . + Utforska vidare
