De ömtåliga qubits som utgör kvantdatorer erbjuder ett kraftfullt beräkningsverktyg, men utgör också en gåta:Hur kan ingenjörer skapa praktiska, fungerande kvantsystem av bitar som så lätt störs – och utplånas av data – av små förändringar i sin miljö?
Ingenjörer har länge kämpat med hur man gör kvantdatorer mindre felbenägna, ofta genom att utveckla sätt att upptäcka och korrigera fel snarare än att förhindra dem i första hand. Men många sådana felkorrigeringsscheman involverar duplicering av information över hundratals eller tusentals fysiska qubits på en gång, vilket snabbt blir svårt att skala upp på ett effektivt sätt.
Nu har ett team av forskare ledda av forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago utvecklat ritningen för en kvantdator som mer effektivt kan korrigera fel. Systemet använder ett nytt ramverk, baserat på qLDPC-koder (quantum low-density parity-check) – som kan upptäcka fel genom att titta på förhållandet mellan bitar – samt en ny hårdvara som involverar omkonfigurerbara atommatriser, som tillåter qubits att kommunicera med fler grannar och låter därför qLDPC-data kodas i färre qubits.
"Med denna föreslagna ritning har vi minskat de omkostnader som krävs för kvantfelskorrigering, vilket öppnar nya vägar för att skala upp kvantdatorer", säger Liang Jiang, professor i molekylär ingenjörskonst och senior författare till det nya verket, publicerat i Naturfysik .
Medan standarddatorer förlitar sig på digitala bitar - i ett på eller av -läge - för att koda data, kan qubits existera i superpositionstillstånd, vilket ger dem möjlighet att hantera nya beräkningsproblem. Men qubits unika egenskaper gör dem också otroligt känsliga för sin miljö; de ändrar tillstånd baserat på omgivande temperatur och elektromagnetism.
"Kvantsystem är i sig bullriga. Det finns verkligen inget sätt att bygga en kvantmaskin som inte kommer att ha fel", säger Qian Xu, en PME-student som ledde det nya arbetet. "Du måste ha ett sätt att göra aktiv felkorrigering om du vill skala upp ditt kvantsystem och göra det användbart för praktiska uppgifter."
Under de senaste decennierna har forskare mestadels vänt sig till en typ av felkorrigering, kallad ytkoder, för kvantsystem. I dessa system kodar man samtidigt samma logiska information till många fysiska bitar, ordnade i ett stort tvådimensionellt rutnät. Fel kan härledas genom att jämföra qubits med deras direkta grannar. En missmatchning tyder på att en qubit har avfyrats.
"Problemet med detta är att du behöver en enorm resursoverhead", sa Xu. "I vissa av dessa system behöver du tusen fysiska qubits för varje logisk qubit, så i det långa loppet tror vi inte att vi kan skala upp detta till mycket stora datorer."
I deras nya system syftade Jiang, Xu och kollegor vid Harvard University, Caltech, University of Arizona och QuEra Computing på att istället använda qLDPC-koder för att korrigera fel. Denna typ av felkorrigering hade länge övervägts, men inte implementerats i en realistisk plan.
Med qLDPC-koder jämförs data i qubits inte bara med direkta grannar utan också med mer avlägsna qubits. Det gör att ett mindre rutnät av qubits kan användas för att uppnå samma antal jämförelser för felkorrigering. Den här typen av långdistanskommunikation mellan qubits hade dock alltid varit knäckepunkten vid implementeringen av qLDPC.
Forskarna kom på en lösning i form av ny hårdvara:omkonfigurerbara atomer som kan flyttas med lasrar så att qubits kan prata med nya partners.
"Med dagens omkonfigurerbara atomarraysystem kan vi kontrollera och manipulera mer än tusen fysiska qubits med hög tillförlitlighet och ansluta qubits åtskilda av ett stort avstånd", säger Harry Zhou från Harvard University och QuEra Computing. "Genom att matcha strukturen av kvantkoder och dessa hårdvarufunktioner kan vi implementera dessa mer avancerade qLDPC-koder med endast ett fåtal kontrollrader, vilket gör att realiseringen av dem är inom räckhåll med dagens experimentella system."
När de kombinerade qLDPC-koder med omkonfigurerbara neutral-atom-arrayer kunde teamet uppnå en bättre felfrekvens än att använda ytkoder med bara några hundra fysiska qubits. Vid uppskalning kan kvantalgoritmer som involverar tusentals logiska qubits uppnås med mindre än 100 000 fysiska qubits – mycket effektivare än guldstandardens ytkoder.
"Det finns fortfarande redundans när det gäller kodning av data i flera fysiska qubits, men tanken är att vi har minskat den redundansen med mycket," sa Xu.
Ramverket är fortfarande teoretiskt, även om forskare snabbt utvecklar atomarrayplattformar som går mot den praktiska användningen av felkorrigerad kvantberäkning. PME-teamet arbetar nu för att ytterligare finjustera sin ritning och säkerställa att de logiska qubits som förlitar sig på qLDPC-koder och omkonfigurerbara atommatriser kan användas i beräkningen.
"Vi tror att detta i det långa loppet kommer att göra det möjligt för oss att bygga mycket stora kvantdatorer med lägre felfrekvens", sa Xu.
Mer information: Qian Xu et al, Konstant-overhead-feltolerant kvantberäkning med omkonfigurerbara atommatriser, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02479-z
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Chicago
