Första kvantumanordning som upptäcker och korrigerar sina egna fel

Anonim

Första kvantumanordning som upptäcker och korrigerar sina egna fel

Fysik

Colin Jeffrey

23 mars 2015

3 bilder

Fysiker som arbetar vid UC Santa Barbara hävdar att de har skapat genombrottskvantitetskretsar som kontrollerar och korrigerar sina egna fel (Foto: Julian Kelly / UC Santa Barbara)

Innan drömmen om kvantberäkning realiseras måste ett antal inneboende problem först lösas. En av dessa är förmågan att upprätthålla ett stabilt minnesystem som övervinner den grundläggande instabiliteten hos den grundläggande informationsenheten i kvantdisplayet - kvantbiten eller "qubit ". För att ta itu med detta problem hävdar fysiker som arbetar vid University of California Santa Barbara (UC Santa Barbara) att ha skapat genombrottskretsar som kontinuerligt självkontrollerar för felaktigheter för att konsekvent upprätthålla kvantfinnets felfria status.

Sårbarhet mot miljöförstörda fel - till exempel kosmiska strålhändelser eller helt enkelt en okänd kollaps av kvantsammanhang, till exempel - betyder att informationen i en qubit lätt går förlorad. Och på grund av karaktären av kvantförträngning som krävs för att koda qubit i första hand, kommer eventuella försök att replikera informationen också att omedelbart destabilisera det.

"En av de största utmaningarna i quantum computing är att qubits är iboende felaktiga", säger Julian Kelly, forskarstuderande forskare vid John Martini fysiklaboratoriet vid UC Santa Barbara. "Så om du lagrar lite information i dem, kommer de glömma det. " I stället för att försöka upprätthålla integriteten hos en qubit genom att säga att fånga den i en isotop av kisel, har UC Santa Barbara laget istället valt för en algoritmbaserad tillvägagångssätt.

Till skillnad från konventionella datorer använder inte kvantdatorer binär datalagring (en och noll), där lite kan vara en av två tillstånd. I stället använder kvantdatorer det som kallas "superpositioning ", där data som finns i en qubit kan också vara 0 eller 1 (eller till och med båda samtidigt om superdense-kodning används) och kan existera i alla möjliga positioner samtidigt och i olika dimensioner.

Även om denna egenskap hos qubits är tydligt fördelaktig när det gäller beräkningskraft är det också detta drag som gör qubits benägna att "flipping " (slumpmässigt bytande tillstånd), speciellt när det är i instabila miljöer och sålunda svårt att arbeta med.

"Det är svårt att bearbeta information om det försvinner, " sa Kelly.

För att lösa detta problem använder den nya felsöknings- och korrektionsprocessen ett system där flera qubits görs för att fungera tillsammans för att bevara informationen. För att uppnå detta lagras information samtidigt över ett antal qubits.

".

Tanken är att vi bygger det här systemet med nio kvartitsar, som då kan leta efter fel ", säger Kelly." Qubits i nätet ansvarar för att skydda informationen i sina grannar i ett repetitivt feldetekterings- och korrektionssystem som kan skydda lämplig information och lagra den längre än någon enskild qubit-kan. "

Detta är nödvändigt eftersom qubits finns i ett kvantum tillstånd där du antingen kan känna till en partikels position eller du kan mäta dess momentum, men inte båda. Att göra det kommer att resultera i decoherens av qubit till ett slumpmässigt tillstånd.

"Du kan inte mäta en kvantstat och förvänta dig att det fortfarande är kvantum, " sa UC Santa Barbara postdoktorforskare Rami Barends. "Själva mätningen låser qubit i ett enda tillstånd och det förlorar då sin superpositioneringskraft. "

För att göra detta, använde UC Santa Barbara personalforskare Austin Fowler vad som kallas en "ytkod" för att ge information om fel. Uppnås genom att upprepade gånger mäta varje kvittor efter interaktion med sina närmaste grannedatabaser på en matris, indikerar förändringar i mätvärdet närvaron av felkedjor i rymden och tiden.

Med andra ord använder denna kod paritetsinformation för att upptäcka någon variation från de ursprungliga data. I det här fallet, om polarisationstillståndet som appliceras på ett bestämt antal qubits är "even " och dessa qubits sänds sedan någon annanstans i systemet, kommer någon förändring till den polarisationen att ses genom att jämföra det tillståndet mellan de ursprungliga och överförda qubitsna .

Det här skiljer sig från det vanliga sättet att kontrollera data i en dator som innebär dubbelarbete av de ursprungliga uppgifterna för att leta efter fel - en omöjlig uppgift i kvantdatorer eftersom qubitsna måste förbli obemärkta för att behålla sin integritet.

"Så du drar ut tillräckligt mycket information för att upptäcka fel, men inte tillräckligt för att se under huven och förstöra kvantiteten, " sa Kelly.

Hittills har forskning visat att det kan negera ett qubit-fel i "bit-flip", men laget hoppas att nästa konfrontera andra qubit-dekoherensproblem, till exempel komplementära "fas-flip " -felet.

Seniorforskare från Martinis-gruppen har nu också samarbetat med Google för att ytterligare utforska denna teknik och forskning i kvantdatorapplikationer.

Lagets papper visas i tidskriften Nature.

Uppdatering 20, april 2015: Denna historia krediterade ursprungligen UC Berkeley som källa och ansvarig för forskningen. Detta var felaktigt, med den forskning som faktiskt utfördes på UC Santa Barbara. Vi ber om ursäkt till läsare och de som är involverade i undersökningen av felet, som nu har rättats.

Källa: UC Santa Barbara

En schematisk av qubit-felkorrigeringssystemet och motsvarande algoritm (Foto: UC Santa Barbara)

Fysiker som arbetar vid UC Santa Barbara hävdar att de har skapat genombrottskvantitetskretsar som kontrollerar och korrigerar sina egna fel (Foto: Julian Kelly / UC Santa Barbara)

UC Santa Barbara forskare, från vänster till höger: Julian Kelly, John Martinis och Rami Barends (Foto: Sonia Fernandez / UC Santa Barbara)