Glimt av faseendringer i kvanteberegning viser forskerne vippepunktet

Forskere ved Duke University og University of Maryland har brukt frekvensen av målinger på en kvantedatamaskin for å få et innblikk i kvantefenomenene faseendringer – noe som er analogt med vann som blir til damp.

Ved å måle antall operasjoner som kan implementeres på et kvantedatasystem uten å utløse sammenbruddet av dets kvantetilstand, fikk forskerne innsikt i hvordan andre systemer – både naturlige og beregningsmessige – møter sine vippepunkter mellom fasene. Resultatene gir også veiledning for informatikere jobber med å implementere kvantefeilkorreksjon som til slutt vil gjøre det mulig for kvantedatamaskiner å oppnå sitt fulle potensial.

Resultatene ble publisert online 3. juni i tidsskriftet Naturfysikk.

Ved oppvarming av vann til koking, utvikler bevegelsen av molekyler seg ettersom temperaturen endres til den treffer en kritisk punkt når det begynner å bli til damp. På lignende måte kan et kvanteberegningssystem i økende grad manipuleres i diskrete tidstrinn til dets kvantetilstand kollapser til en enkelt løsning.

“Det er dype forbindelser mellom faser av materie og kvanteteorisom er det som er så fascinerende med det,” sa Crystal Noel, assisterende professor i elektrisk og datamaskin ingeniørfag og fysikk ved Duke. “Kvantedatasystemet oppfører seg på samme måte som kvantesystemer som finnes i naturen – som væske som endres til damp – selv om det er digitalt.”

Kraften til kvantedatamaskiner ligger i deres qubits evne til å være en kombinasjon av både en 1 og 0 på samme tid, med en eksponentiell vekst av systemkompleksitet ettersom flere qubits legges til. Dette lar dem takle et problem med massiv parallellisme, som å prøve å sette puslespillets brikker sammen på en gang i stedet for én om gangen. Qubitene må imidlertid være i stand til å opprettholde sin kvantebesluttsomhet til en løsning er nådd.

En av de mange utfordringene dette gir er feilretting. Noen av qubitene vil uunngåelig miste en del informasjon, og systemet må være i stand til å oppdage og fikse disse feilene. Men fordi kvantesystemer mister “kvanteheten” når den måles, er det en vanskelig oppgave å holde øye med feil. Selv med ekstra qubits som holder et øye med ting, jo mer en kvantealgoritme undersøkes for feil, jo mer sannsynlig er det å mislykkes.

“Som vannmolekyler på randen av å bli damp, er det en terskel for målinger en kvantedatamaskin kan tåle før den mister kvanteinformasjonen,” sa Noel. “Og det antallet målinger er en analogi for hvor mange feil datamaskinen tåler og fortsatt fungerer riktig.”

I den nye artikkelen undersøker Noel og hennes kolleger denne overgangsterskelen og systemets tilstand på hver side.

I tett samarbeid med Christopher Monroe, Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Engineering and Physics ved Duke, Marko Cetina, assisterende professor i fysikk ved Duke, og Michael Gullans og Alexey Gorshkov ved University of Maryland og National Institute of Standards and Technology, gruppe co-designet programvare for å kjøre tilfeldige kvantekretser skreddersydd til deres kvantesystems evner. Eksperimentet ble kjørt på en av Duke Quantum Centers ionefelle-kvantedatamaskiner – et av de kraftigste kvantedatasystemene i verden.

“Antallet qubits i systemet, driftsikkerheten og nivået av systemautomatisering kombinert sammen på samme tid er unikt for dette kvantedatasystemet,” sa Noel. “Andre systemer har vært i stand til å oppnå hver enkelt individuelt, men aldri alle tre samtidig i et akademisk system. Det var det som gjorde at vi kunne kjøre disse eksperimentene.”

Ved å beregne gjennomsnitt over mange tilfeldige kretsløp, var teamet i stand til å se hvordan målefrekvensen påvirket qubitene. Som forutsagt dukket det opp et kritisk punkt der systemet uunngåelig mistet sin sammenheng og kvanteinformasjonog ved å se på hvordan systemet oppførte seg på hver side av den faseovergangen, vil forskere være i stand til å bygge bedre tilnærminger til feilretting koder i fremtiden.

Dataene gir også et unikt blikk på hvordan andre faseendringer skjer i naturen som forskere aldri har kunnet se før.

“Denne demonstrasjonen er et perfekt eksempel på hva vi gjør unikt ved Duke Quantum Center,” sa Monroe. “Mens kvantedatamaskinene våre er laget av atomer som er under utsøkt kontroll med elektromagnetiske feller, lasere og optikk, kan vi distribuere disse systemene til å gjøre noe helt annerledes, i dette tilfellet undersøke den underliggende kvantenaturen til faseoverganger. Denne samme kvantedatamaskinen kan også brukes til å løse irriterende modeller innen felt som spenner fra kjemiske reaksjoner, DNA-sekvensering og astrofysikk. Dette krever ekspertise ikke bare innen atomfysikk, men innen systemteknikk, informatikk og uansett hvilket felt som definerer applikasjonen som skal kjøres.”

---

---