Feilfri kvanteberegning blir ekte

I moderne datamaskiner har feil under behandling og lagring av informasjon blitt en sjeldenhet på grunn av fabrikasjon av høy kvalitet. For kritiske applikasjoner, der selv enkeltfeil kan ha alvorlige effekter, brukes fortsatt feilrettingsmekanismer basert på redundans av de behandlede dataene.

Kvantedatamaskiner er i seg selv mye mer mottakelige for forstyrrelser og vil dermed sannsynligvis alltid kreve feilrettingsmekanismer, fordi ellers vil feil forplante seg ukontrollert i systemet og informasjon vil gå tapt. Fordi kvantemekanikkens grunnleggende lover forbyr kopiering av kvanteinformasjon, kan redundans oppnås ved å distribuere logisk kvanteinformasjon til en sammenfiltret tilstand av flere fysiske systemer, for eksempel flere individuelle atomer.

Teamet ledet av Thomas Monz fra Institutt for eksperimentell fysikk ved Universitetet i Innsbruck og Markus Müller fra RWTH Aachen University og Forschungszentrum Jülich i Tyskland har nå for første gang lykkes med å realisere et sett med beregningsoperasjoner på to logiske kvantebiter som kan brukes til å implementere enhver mulig operasjon. “For et kvante i den virkelige verden datamaskintrenger vi et universelt sett med porter som vi kan programmere alle algoritmer med,” forklarer Lukas Postler, en eksperimentell fysiker fra Innsbruck.

Fundamental kvanteoperasjon realisert

Teamet av forskere implementerte dette universelle portsettet på en ionefelle-kvantedatamaskin med 16 fangede atomer. Kvanteinformasjonen ble lagret i to logiske kvantebiter, hver fordelt på syv atomer.

Nå, for første gang, har det vært mulig å implementere to beregningsporter på disse feiltolerante kvantebitene, som er nødvendige for et universelt sett med porter: en beregningsoperasjon på to kvantebiter (en CNOT-port) og en logisk T gate, som er spesielt vanskelig å implementere på feiltolerante kvantebiter.

“T-porter er veldig grunnleggende operasjoner,” forklarer teoretisk fysiker Markus Müller. “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.” Fysikerne demonstrerte T-porten ved å forberede en spesiell tilstand i en logisk kvantebit og teleportere den til en annen kvantebit via en entangled gate-operasjon.

Kompleksiteten øker, men nøyaktigheten også

I kodede logiske kvantebiter lagres kvanteinformasjon er beskyttet mot feil. Men dette er ubrukelig uten beregningsoperasjoner, og disse operasjonene er i seg selv utsatt for feil.

Forskerne har implementert operasjoner på de logiske qubitene på en slik måte at feil forårsaket av de underliggende fysiske operasjonene også kan oppdages og korrigeres. Dermed har de implementert den første feiltolerante implementeringen av et universelt sett med porter på kodede logiske kvantebiter.

“Den feiltolerante implementeringen krever flere operasjoner enn ikke-feiltolerante operasjoner. Dette vil introdusere flere feil på skalaen til enkeltatomer, men likevel er de eksperimentelle operasjonene på de logiske qubitene bedre enn ikke-feiltolerante logiske operasjoner.” Thomas Monz er glad for å rapportere. “Anstrengelsen og kompleksiteten øker, men den resulterende kvaliteten er bedre.” Forskerne sjekket og bekreftet også sine eksperimentelle resultater ved å bruke numeriske simuleringer på klassiske datamaskiner.

Fysikerne har nå demonstrert alt byggeklosser for feiltolerant databehandling på en kvantedatamaskin. Oppgaven nå er å implementere disse metodene på større og dermed mer nyttige kvantedatamaskiner. Metodene demonstrert i Innsbruck på en ionefelle kvantedatamaskin kan også brukes på andre arkitekturer for kvantedatamaskiner.

Forskningen ble publisert i Natur.

---

---