En ny universell metode kan løse kvanteproblemer som er avgjørende for fremtidig databehandling


Kvantedatamaskiner er avanserte maskiner som er i stand til å utføre komplekse oppgaver og beregninger ved å bruke kvantemekanikkens lover. De har applikasjoner innen forskning relatert til kunstig intelligens, narkotikaproduksjon, klimaendringer, cybersikkerhet og forskjellige andre felt. En studie nylig publisert i tidsskriftet Natur avslører et sett med beregningsoperasjoner som kan gjøre kvantedatamaskiner mer nøyaktige enn noen gang.

Siden kvantedatamaskiner løser problemer som til og med er for komplekse for superdatamaskiner (klassiske datamaskiner), må de forholde seg til enorme mengder data, noe som gjør dem mer utsatt for feilforårsakende forstyrrelser. En enkelt feil fra slike datamaskiner kan imidlertid føre til tap av store mengder verdifull informasjon. Derfor gir ingeniører og forskere kvantedatamaskiner med sterke feilrettingsmekanismer for å unngå uoverensstemmelser.

Et team av forskere fra Tysklands universitet i Innsbruck, RWTH Aachen University og Forschungszentrum Jülich forskningsinstitutt har foreslått en metode som kan føre til fremveksten av feilfrie kvantedatamaskiner. er en oversikt over forskningen deres.

Et universelt sett for å programmere alle algoritmer

En ny universell metode kan løse kvanteproblemer som er avgjørende for fremtidig databehandling
Kunstnerinntrykk av portoperasjoner på logiske kvantebiter. Kilde: Johannes Knünz

Du kan forestille deg egenskapene til en kvantedatamaskin fra det faktum at den antas å være det omtrent 158 ​​millioner ganger raskere enn den kraftigste superdatamaskinen på jorden. En kompleks oppgave som kan ta tusenvis av år å få gjort med en klassisk datamaskin, kan fullføres innen et par minutter av en kvantedatamaskin. Imidlertid er det ulike utfordringer vi må overvinne før kvantedatabehandling blir en vanlig teknologi.

En konvensjonell datamaskin unngår feil ved å lage redundante kopier av informasjon i form av biter. Kopiene brukes videre til å verifisere dataene. Kvantemekanikkens lover tillater imidlertid ikke kopiering av data fra en qubit til en annen. Så når det gjelder kvantedatamaskiner, i stedet for å kopiere, distribuerer forskere data til en rekke fysiske qubits for oppnå informasjonsredundans å løse problemer.

Forskere i Tyskland har kommet opp med en beregningsoperasjon som involverer to logiske kvantebiter og kan brukes til alle slags oppgaver. Den nevnte operasjonen er faktisk representert av et sett med universelle porter eller kvantekretser som er i stand til å behandle alle typer matematisk informasjon. Fysiker Lukas Postler, en av forfatterne av studien, hevder at det universelle settet kan brukes i en kvantedatamaskin for å programmere alt algoritmer.

“I dette arbeidet demonstrerte vi implementeringen av et feiltolerant universalportsett, hvor det sikres at en enkelt feil på en fysisk qubit ikke kan føre til en feil i den kodede logiske kvanteinformasjonen. Et universelt sett med porter er nødvendig for å tilnærme enhver operasjon som er mulig på en kvantedatamaskin (dette gjelder for feilkorrigerte qubits som i vårt tilfelle, men også for beregninger på bare fysiske qubits),» fortalte han Interessant ingeniørfag.

Under studien ble det universelle settet brukt på en ion-trap kvantedatamaskin, en maskin som behandler kvanteinformasjon gjennom bevegelsen til ladede atompartikler suspendert i ledig plass under påvirkning av et elektromagnetisk felt. Ionefelledatamaskinen inneholdt totalt 16 atomer.

De to logiske bitene i settet kalt CNOT-port og T-port lagret kvanteinformasjon. Hver bit ble spredt over syv atomer, og for første gang var forskere i stand til å implementere en universell port på feiltolerante biter. Feiltoleranse er evnen til et system å fortsette sin virksomhet selv etter feil på noen av enhetene.

“T-porter er veldig grunnleggende operasjoner,” de er spesielt interessante fordi kvantealgoritmer uten T-porter kan simuleres relativt enkelt på klassiske datamaskiner, noe som eliminerer enhver mulig hastighet. Dette er ikke lenger mulig for algoritmer med T-porter,” sa forfatter Markus Müller og forklarte betydningen av T-port.

Den feilfrie tilnærmingen gir nøyaktighet, men er litt mer komplisert

Kvanteinformasjon lagret i logiske kvantebiter krever beregningsoperasjoner for å bli behandlet, men slike operasjoner vil sannsynligvis forårsake feil. Derfor anses det som komplisert å implementere universelle porter på feiltolerante logiske biter.

«Den feiltolerante implementeringen krever flere operasjoner enn ikke-feiltolerante operasjoner. Dette vil introdusere flere feil på skalaen til enkeltatomer, men ikke desto mindre er de eksperimentelle operasjonene på de logiske qubitene bedre enn ikke-feiltolerante logiske operasjoner.” co-lead forsker Thomas Monz forklarte.

Monz bekrefter videre at selv om implementeringen av et universelt portsett gjør prosesseringsdelen mer kompleks, gir den bedre og mer nøyaktige resultater. Forskere planlegger nå å teste denne feilfrie tilnærmingen på større og kraftigere kvantemaskiner.