Hvorfor “sletting” kan være nøkkelen til praktisk kvanteberegning

Forskere har oppdaget en ny metode for å korrigere feil i beregningene av kvantedatamaskiner, som potensielt kan fjerne en stor hindring for et kraftig nytt dataområde.

I konvensjonelle datamaskiner, fiksing feil er et velutviklet felt. Hver mobiltelefon krever kontroller og reparasjoner for å sende og motta data over rotete luftbølger. Kvantedatamaskiner tilbyr enormt potensial å løse visse komplekse problemer som er umulig for konvensjonelle datamaskiner, men denne kraften er avhengig av å utnytte ekstremt flyktig oppførsel av subatomære partikler. Disse dataoppførselene er så flyktige at selv å se inn på dem for å se etter feil kan føre til at hele systemet kollapser.

I en artikkel som skisserer en ny teori for feilretting, publisert 9. august i Naturkommunikasjon , et tverrfaglig team ledet av Jeff Thompson, en førsteamanuensis i elektro- og datateknikk ved Princeton, og samarbeidspartnerne Yue Wu og Shruti Puri ved Yale University og Shimon Kolkowitz ved University of Wisconsin-Madison, viste at de dramatisk kunne forbedre en kvantedatamaskins toleranse for feil, og redusere mengden redundant informasjon som trengs for å isolere og fikse feil. Den nye teknikken øker den akseptable feilraten fire ganger, fra 1 % til 4 %, noe som er praktisk for kvantedatamaskiner under utvikling.

“Den grunnleggende utfordringen for kvantedatamaskiner er at operasjonene du vil gjøre er støyende,” sa Thompson, noe som betyr at beregninger er utsatt for utallige feilmåter.

I en konvensjonell datamaskin kan en feil være så enkel som at en bit av minnet ved et uhell snur fra 1 til 0, eller så rotete som at en trådløs ruter forstyrrer en annen. En vanlig tilnærming for håndtering av slike feil er å bygge inn noe redundans, slik at hver databit sammenlignes med duplikatkopier. Den tilnærmingen øker imidlertid mengden data som trengs og skaper flere muligheter for feil. Derfor fungerer det bare når det store flertallet av informasjonen allerede er korrekt. Ellers fører sjekking av feil data mot feil data dypere inn i en feilgrop.

“Hvis baseline feilrate er for høy, er redundans en dårlig strategi,” sa Thompson. “Å komme under den terskelen er hovedutfordringen.”

I stedet for å fokusere utelukkende på å redusere antall feil, gjorde Thompsons team i hovedsak feil mer synlige. Teamet gikk dypt inn i de faktiske fysiske årsakene til feil, og konstruerte systemet sitt slik at den vanligste feilkilden effektivt eliminerer, i stedet for bare å ødelegge, de skadede dataene. Thompson sa at denne oppførselen representerer en spesiell type feil kjent som en “slettefeil”, som er grunnleggende enklere å luke ut enn data som er ødelagt, men som fortsatt ser ut som alle andre data.

I en konvensjonell datamaskin, hvis en pakke med antatt overflødig informasjon kommer over som 11001, kan det være risikabelt å anta at de litt mer utbredte 1-tallet er riktige og 0-ene er feil. Men hvis informasjonen kommer over som 11XX1, hvor de ødelagte bitene er tydelige, er saken mer overbevisende.

“Disse slettefeilene er mye lettere å rette fordi du vet hvor de er,” sa Thompson. “De kan utelukkes fra flertallet. Det er en stor fordel.”

Slettefeil er godt forstått i konvensjonell databehandling, men forskere hadde ikke tidligere vurdert å prøve å konstruere kvantedatamaskiner for å konvertere feil til slettinger, sa Thompson.

Som en praktisk sak kunne deres foreslåtte system tåle en feilrate på 4,1 %, som Thompson sa er godt innenfor muligheten for nåværende kvantedatamaskiner. I tidligere systemer kunne den avanserte feilkorreksjonen håndtere mindre enn 1 % feil, som Thompson sa er på kanten av kapasiteten til ethvert nåværende kvantesystem med et stort antall qubits.

Lagets evne til å generere slettefeil viste seg å være en uventet fordel fra et valg Thompson tok for mange år siden. Forskningen hans utforsker “nøytrale atom-qubits”, der kvanteinformasjon (en “qubit”) er lagret i et enkelt atom. De var pionerer i bruken av grunnstoffet ytterbium til dette formålet. Thompson sa at gruppen valgte ytterbium delvis fordi den har to elektroner i det ytterste laget av elektroner, sammenlignet med de fleste andre nøytrale atom-qubiter, som bare har en.

“Jeg tenker på det som en sveitsisk hærkniv, og dette ytterbiumet er den større, fetere sveitsiske hærkniven,” sa Thompson. “Den ekstra lille kompleksiteten du får av å ha to elektroner gir deg mange unike verktøy.”

En bruk av de ekstra verktøyene viste seg å være nyttig for å eliminere feil. Teamet foreslo å pumpe elektronene i ytterbium og fra deres stabile “grunntilstand” til eksiterte tilstander kalt “metastabile tilstander”, som kan være langvarige under de rette forholdene, men er iboende skjøre. Kontraintuitivt foreslår forskerne å bruke disse tilstandene til å kode kvanteinformasjonen.

“Det er som om elektronene er på stram ledning,” sa Thompson. Og systemet er konstruert slik at de samme faktorene som forårsaker feil også får elektronene til å falle av stramtråden.

Som en bonus, når de faller til grunntilstanden, sprer elektronene lys på en veldig synlig måte, så å skinne et lys på en samling ytterbium-qubits får bare de defekte til å lyse opp. De som lyser skal avskrives som feil.

Dette fremskrittet krevde å kombinere innsikt i både kvantedatamaskinvare og kvanteteorien feilretting, utnytte den tverrfaglige karakteren til forskerteamet og deres nære samarbeid. Mens mekanikken i dette oppsettet er spesifikk for Thompsons ytterbium-atomer, sa han at ideen om å konstruere kvante-qubits for å generere slettefeil kan være et nyttig mål i andre systemer – som det er mange av i utvikling rundt om i verden – og er noe som gruppen jobber videre med.

“Vi ser på dette prosjektet som å legge ut en slags arkitektur som kan brukes på mange forskjellige måter,” sa Thompson og la til at andre grupper allerede har begynt å konstruere systemene sine for å konvertere feil til slettinger. “Vi ser allerede mye interessant i å finne tilpasninger for dette arbeidet.”

Som et neste steg jobber Thompsons gruppe nå med å demonstrere konverteringen av feil til slettinger i en liten fungerende kvantedatamaskin som kombinerer flere titalls qubits.

Artikkelen, “Erasure conversion for fault-tolerant quantum computing in alkaline earth Rydberg atom arrays,” ble publisert 9. august i Naturkommunikasjon.

---

---