Kvantdatorer är alternativa datorer som bearbetar information genom att utnyttja kvantmekaniska effekter, såsom sammanflätning mellan olika partiklar. Sammanflätning skapar en länk mellan partiklar som gör att de kan dela tillstånd på ett sådant sätt att mätning av en partikel omedelbart påverkar de andra, oavsett avståndet mellan dem.
Kvantdatorer kan i princip överträffa klassiska datorer i vissa optimerings- och beräkningsuppgifter. De är dock också kända för att vara mycket känsliga för störningar i omgivningen (dvs. brus), vilket kan orsaka kvantfel och påverka beräkningarna negativt.
Forskare vid International Quantum Academy, Southern University of Science and Technology och Hefei National Laboratory har utvecklat en ny metod för att upptäcka dessa fel i en kiselbaserad kvantprocessor. Denna strategi för felupptäckt, som presenterades i en artikel publicerad i Nature Electronics, visade sig framgångsrikt upptäcka kvantfel i kiselqubits, samtidigt som den bevarade sammanflätningen efter upptäckten.
”I detta arbete använde vi kärnspinn från fosfordonatorer i en kiselkluster för att koda kvantinformation, med en enhet i atomskala som fungerade som en kvantinformationsprocessor”, berättade prof. Yu He, medförfattare till artikeln, för Phys.org.
”Det som driver och inspirerar oss är den större drömmen om kvantberäkning i sig. För att kvantdatorer ska bli verkligt praktiska måste de uppnå feltolerans – och det innebär att utmaningarna längs vägen först måste identifieras och hanteras.”
Högkvalitativ feldetektering via stabilisatormätningar
Under de senaste decennierna har kvantingenjörer introducerat ett brett spektrum av metoder som syftar till att förbättra tillförlitligheten hos kvantdatorprocessorer, med målet att möjliggöra deras feltoleranta drift. Med utgångspunkt i tidigare arbeten satte professor He och hans kollegor igång med att utveckla en ny strategi för att uppnå högkvalitativ kvantfelfinnande, som bygger på så kallade stabilisatormätningar.
Stabilisatorer är matematiska regler som beskriver de egenskaper som ett korrekt kvanttillstånd bör ha. Om en kvantprocessor fungerar korrekt och inte har gjort några fel, skulle stabilisatormätningarna således stämma överens med dessa matematiska regler. Däremot skulle en stabilisatormätning som avviker från förutsägelserna tyda på att ett fel har inträffat.
”För att realisera stabilisatorer för kvantfelavkänning behöver vi kvantkretsar som kan läsa av fel med hög noggrannhet och utan att förstöra kvanttillståndet (QND)”, förklarade professor He.
”För detta ändamål använde vi en krets med minimala resurskrav: två kvantbitar kodar kvantinformationen, medan två ytterligare hjälpkvantbitar används för stabilisatoravläsning. Kretsdesignen utnyttjar det fullständigt anslutna donatorklustret, vilket gör kretskompileringen relativt enkel, och kärnspinn, som möjliggör högkvalitativ QND-avläsning – och i sin tur högkvalitativ feldetektering via stabilisatorer.”
Kretsen som forskarna använde. Källa: Zhang et al.
För att utvärdera sin metod skapade forskarna en liten kiselbaserad kvantprocessor som består av fyra sammanflätade kärnspinnqubits och en elektronqubit. De fyra kärnspinnen i systemet var starkt sammanflätade via ett så kallat fyra-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)-tillstånd.
Forskarna implementerade sin stabilisatorbaserade felupptäckningsmetod på denna lilla processor, med målet att upptäcka alla möjliga typer av fel som påverkar enskilda kvantbitar. Detta gjorde det också möjligt för dem att belysa vilka fel som var vanligast förekommande i deras kiselbaserade kvantdatorsystem.
Mot skalbara och tillförlitliga kvantdatorer
I teamets initiala tester visade sig deras föreslagna strategi för felupptäckt framgångsrikt upptäcka fel på enstaka kvantbitnivå utan att orsaka dekohären och därmed informationsförlust. I framtiden kan deras metod förbättras ytterligare och testas på andra processorer med ett större antal underliggande kvantbitar.
”Vi har visat att ett kiselspinnqubitsystem kan utföra kvantfelavkänning med hjälp av stabilisatorer, vilket utgör en viktig pelare för feltolerant kvantberäkning”, säger professor He.
”Viktigt är att vår krets också avslöjade förekomsten av biasat brus – även om detta är en förväntad egenskap vars direkta detektering via stabilisatorer också är mycket spännande. Denna upptäckt tyder på att systemet kan utnyttja sådant partiskt brus, vilket möjliggör mer flexibla tröskelvärden för kvantfelkorrigering och gör skalning mot en feltolerant kvantdator mer genomförbar.”
De senaste insatserna från professor He och hans kollegor kan bidra till den framtida utvecklingen av kvantteknik och kan hjälpa till att föra befintliga processorer närmare feltolerant drift. Samtidigt arbetar forskarna med att utveckla nya kvantprocessorer som fungerar bra för specifika typer av beräkningsuppgifter.
”Vårt nästa mål är att bygga en minimal logisk kvantprocessor – som kan förbereda logiska tillstånd, implementera universella logiska kvantgrindar och demonstrera enkla logiska algoritmer – och därmed föra fältet vidare in i området för logisk kvantberäkning”, tillägger professor He.
”Tillsammans med det nuvarande arbetet skulle detta utgöra ett betydande steg framåt för feltolerant kvantberäkning.”
Publiceringsinformation
Chunhui Zhang et al, Quantum error detection in a silicon quantum processor, Nature Electronics (2026). DOI: 10.1038/s41928-025-01557-1. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2509.24766
