Kvantdatorer har potential att överträffa konventionella datorer i vissa uppgifter, inklusive komplexa optimeringsproblem. Men kvantdatorer är också känsliga för brus, vilket kan leda till beräkningsfel.
Ingenjörer har försökt att ta fram feltoleranta kvantberäkningsmetoder som kan vara mer motståndskraftiga mot brus och därmed kan skalas upp mer robust. Ett vanligt tillvägagångssätt för att uppnå feltolerans är att förbereda magiska tillstånd, som introducerar så kallade icke-Clifford-portar.
Forskare vid University of Science and Technology i Kina, Henan Key Laboratory of Quantum Information and Cryptography och Hefei National Laboratory demonstrerade nyligen beredningen av ett logiskt magiskt tillstånd med trohet bortom destillationströskeln på en supraledande kvantprocessor. Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters , skisserar en gångbar och effektiv strategi för att generera logiska magiska tillstånd med hög trohet, ett tillvägagångssätt för att realisera feltoleranta kvantberäkningar.
"Vi har en långsiktig plan inom området kvantfelskorrigering," sa professor Xiao-Bo Zhu, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Efter slutförandet av vårt tidigare arbete med en avstånd-3 ytkod för upprepad felkorrigering, anser vi att nästa fokus kommer att ligga på förberedelse av logiska magiska tillstånd."
Det slutliga målet med den senaste forskningen av professor Zhu och deras kollegor är att förverkliga robust, feltolerant, universell kvantberäkning. Förberedelsen av logiska magiska tillstånd är ett nyckelsteg för att implementera logiska grindar som inte kommer från Clifford, vilket i sin tur leder till att man uppnår feltolerant kvantberäkning.
"Förenklat uttryckt är grundidén med vårt protokoll att först injicera tillståndet som ska förberedas i en av qubits i ytkoden, och sedan 'propagera' tillståndsinformationen till hela ytkoden, och därigenom uppnå en logisk tillståndsförberedelse ", förklarade prof. Zhu. "I det här protokollet är valet av injektionspositionen för det tillstånd som ska förberedas och initialiseringstillstånden för andra qubits viktigt."
Protokollet som föreslås av detta team av forskare beskriver en enkel, experimentellt genomförbar och skalbar strategi för att förbereda råmagiska tillstånd med hög trohet i supraledande kvantprocessorer. Som en del av deras senaste studie tillämpade professor Zhu och hans kollegor detta protokoll på Zuchongzhi 2.1, en 66-qubit kvantprofessor med en avstämbar kopplingsdesign.
"Denna processors design gör det möjligt för oss att manipulera interaktionen mellan två intilliggande qubits, vilket säkerställer att våra kvantportar är tillräckligt högtrogna trots en hög grad av parallellism", sa prof. Zhu. "Denna design bidrar också till att utöka skalan av qubits på en processor."
När forskarna implementerade sitt protokoll på Zuchongzhi 2.1-processorn uppnådde de mycket lovande resultat. Specifikt förberedde de tre logiska magiska tillstånd med logiska troheter på 0,8771±0,0009, 0,9090±0,0009 respektive 0,8890±0,0010, vilka är högre än tröskelvärdet för tillståndsdestillationsprotokollet, 0,859 (för magiskt tillstånd) H-859 0,827 (för magiskt tillstånd av T-typ).
"Vi har uppnått en kritisk milstolpe i utvecklingen av feltoleranta beräkningar baserade på ytkoden genom att framgångsrikt förbereda ett logiskt magiskt tillstånd avstånd tre med trohet som överträffar destillationströskeln", sa prof. Zhu. "Detta resultat antyder att vi kan mata in magiska tillstånd med låg tillstånd till destillationskretsen för magiskt tillstånd, genomgå flera destillationer för att erhålla tillräckligt högtrogna magiska tillstånd och sedan använda dem för att konstruera feltoleranta logiska grindar som inte är Clifford."
I framtiden kan protokollet som utvecklats av prof. Zhu och hans kollegor användas av andra forskarlag för att realisera logiska magiska tillstånd med hög trohet, med användning av ett bredare utbud av supraledande kvantprocessorer. I slutändan kan det bidra till förverkligandet av robust feltolerans kvantdatorer, vilket i sin tur kan möjliggöra utvecklingen av kvantdatorer i större skala.
"Inom området för kvantfelskorrigering planerar vi att fortsätta utforska två huvudsakliga forskningsriktningar," tillade prof. Zhu. "För det första strävar vi efter att förbättra prestandan hos en logisk qubit (eller felkorrigerat kvantminne) genom att minska den fysiska manipulationsfelfrekvensen och öka antalet kodade qubits, och därigenom undertrycka den logiska felfrekvensen till praktiska nivåer. För det andra genomför vi experimentell forskning om felkorrigerade logiska operationer, såsom gallerkirurgi, för tillämpning i framtida feltolerant kvantberäkning."
Mer information: Yangsen Ye et al, Logical Magic State Preparation with Fidelity beyond the Destillation Threshold on a Superconducting Quantum Processor, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.210603
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2023 Science X Network
