Utorowanie drogi do potężnych obliczeń kwantowych

Instytut Technologii w Massachusetts

Naukowcy z MIT poczynili znaczne postępy na drodze do pełnej realizacji obliczeń kwantowych, demonstrując technikę, która eliminuje powszechne błędy w najważniejszym procesie algorytmów kwantowych, procesie dwubitowym lub „bramce”.

„Pomimo ogromnego postępu w kierunku wykonywania obliczeń o niskim współczynniku błędów z nadprzewodnikowymi bitami kwantowymi (kubitami), błędami w dwóch bramkach kubitowych, jednym z elementów podstawowych obliczeń kwantowych, nadal elektrotechniką i informatyką i jest liderem autor pracy naukowej na ten temat opublikowany Dzisiaj w Physical Review X. „Pokazaliśmy sposób na radykalne ograniczenie tych błędów”.

W komputerach kwantowych przetwarzanie informacji jest bardzo czułym procesem przeprowadzanym przez delikatne kubity, które są bardzo podatne na dekoherencję, tracąc swoje zachowanie w mechanice kwantowej. W poprzednich badaniach Sunga i jego grupy badawczej, MIT Engineering Quantum Systems, zaproponowano przestrajalne sprzęgacze, umożliwiające naukowcom włączanie i wyłączanie binarnych interakcji kubitowych w celu kontrolowania ich procesów przy jednoczesnym zachowaniu delikatnych kubitów. Pomysł sprzęgacza piezoelektrycznego stanowi duży postęp i został na przykład cytowany przez Google jako klucz do niedawnego wykazania przewagi, jaką oferują obliczenia kwantowe nad obliczeniami klasycznymi.

Jednak zajęcie się mechanizmami błędów, takimi jak obieranie cebuli: obieranie jednej warstwy ujawnia następną. W tym przypadku, nawet gdy używano strojonych sprzęgaczy, bramki kubitowe nadal podlegały błędom, które wynikały z niepożądanych interakcji szczątkowych między kubitami oraz między kubitem a łącznikiem. Takie niepożądane interakcje były generalnie ignorowane przed sprzężeniami przestrajalnymi, ponieważ się nie wyróżniały – ale teraz tak. Ponieważ te błędy szczątkowe rosną wraz ze wzrostem liczby kubitów i bramek, stoją one na przeszkodzie zbudowaniu wielkoskalowych procesorów kwantowych. Arkusz oceny fizycznej X oferuje nowe podejście do redukcji takich błędów.

Oliver, adiunkt inżynierii elektrycznej: „Poszliśmy jeszcze dalej z koncepcją przestrajalnego sprzęgacza i wykazaliśmy 99,9% dokładności dla dwóch głównych typów bramek dwukubitowych, znanych jako bramki sterujące Z i bramki iSWAP”. i informatyki, stypendysta MIT Lincoln Laboratory, dyrektor Centrum Inżynierii Kwantowej i zastępca dyrektora Electronics Research Laboratory, siedziby Engineering Quantum Systems Group. „Bramki o wysokiej precyzji zwiększają liczbę operacji, które można wykonać, a więcej operacji przekłada się na wykonywanie bardziej złożonych algorytmów na większą skalę.”

Aby wyeliminować powodujące błędy interakcje kubitowe i kubitowe, naukowcy zastosowali wyższe poziomy energii dla sprzęgacza, aby wyeliminować problematyczne interakcje. W poprzednich pracach te poziomy energii sprzęgacza zostały zignorowane, chociaż powodowały nie pomijalne binarne interakcje kubitowe.

„Lepsza kontrola i konstrukcja sprzęgacza są kluczem do zaprojektowania interakcji kubit-kubit zgodnie z potrzebami. Można to osiągnąć poprzez inżynierię istniejącej wielopoziomowej dynamiki” – mówi Song.

Następna generacja komputerów kwantowych będzie debugowana, co oznacza, że ​​zostaną dodane dodatkowe kubity w celu zwiększenia mocy obliczeń kwantowych.

„Błędy kubitu można skutecznie rozwiązać, dodając nadmiarowość”, mówi Oliver, zauważając jednak, że taki proces działa tylko wtedy, gdy bramki są wystarczająco dobre – powyżej pewnego progu dokładności, który zależy od protokołu korekcji błędów. „Najbardziej liberalne progi wynoszą obecnie około 99 procent. Jednak w praktyce należałoby dążyć do tego, aby rozdzielczość bramki była znacznie wyższa od tego progu, aby żyć z rozsądnym poziomem nadmiarowości sprzętowej”.

Oliver mówi, że sprzęt użyty w badaniach, które przeprowadzono w Lincoln Laboratory w MIT, był kluczem do osiągnięcia udowodnionego wzrostu wierności w procesach wykorzystujących kubity.

„Tworzenie urządzeń o wysokiej spójności to pierwszy krok do wdrożenia precyzyjnego sterowania”, mówi.

„Wysokie wskaźniki błędów dwóch bramek kubitowych znacznie ograniczają zdolność urządzeń kwantowych do uruchamiania aplikacji kwantowych, które normalnie byłyby trudne do rozwiązania za pomocą klasycznych komputerów, takich jak symulacje chemii kwantowej i rozwiązywanie problemów optymalizacyjnych” – mówi Song.

Do tego momentu na komputerach kwantowych symulowano tylko małe cząstki, symulacje, które z łatwością można było przeprowadzić na komputerach klasycznych.

„W tym sensie nasze nowe podejście do redukcji błędów bramek składających się z kubitów jest na czasie w dziedzinie obliczeń kwantowych i pomaga rozwiązać jeden z najbardziej krytycznych problemów ze sprzętem kwantowym” – mówi.