De ömtåliga kvantbitarna som utgör kvantdatorer är ett kraftfullt beräkningsverktyg, men de utgör också en gåta: Hur kan ingenjörer skapa praktiska, fungerande kvantsystem av bitar som så lätt störs – och töms på data – av små förändringar i sin omgivning?
Ingenjörer har länge kämpat med hur man ska göra kvantdatorer mindre felbenägna, ofta genom att utveckla sätt att upptäcka och korrigera fel snarare än att förhindra dem från första början. Många sådana felkorrigeringssystem innebär dock att information dupliceras över hundratals eller tusentals fysiska qubits på en gång, vilket snabbt blir svårt att skala upp på ett effektivt sätt.
Nu har ett forskarteam under ledning av forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago tagit fram ritningen till en kvantdator som kan korrigera fel på ett mer effektivt sätt. Systemet använder ett nytt ramverk, baserat på qLDPC-koder (quantum low-density party-check) – som kan upptäcka fel genom att titta på förhållandet mellan bitar – samt en ny hårdvara som involverar omkonfigurerbara atommatriser, som gör det möjligt för qubits att kommunicera med fler grannar och därför låter qLDPC-data kodas i färre qubits.
”Med den här föreslagna planen har vi minskat det overhead som krävs för kvantfelkorrigering, vilket öppnar nya möjligheter att skala upp kvantdatorer”, säger Liang Jiang, professor i molekylärteknik och huvudförfattare till det nya arbetet, som publiceras i Nature Physics.
Intrinsikalt brus
Medan vanliga datorer förlitar sig på digitala bitar – i ett på- eller av-läge – för att koda data, kan kvantbitar existera i superpositionstillstånd, vilket ger dem möjlighet att tackla nya beräkningsproblem. Men qubits unika egenskaper gör dem också otroligt känsliga för sin omgivning; de ändrar tillstånd baserat på den omgivande temperaturen och elektromagnetismen.
”Kvantsystem är i sig bullriga. Det finns egentligen inget sätt att bygga en kvantmaskin som inte har några fel”, säger Qian Xu, en doktorand vid PME som ledde det nya arbetet. ”Du måste ha ett sätt att göra aktiv felkorrigering om du vill skala upp ditt kvantsystem och göra det användbart för praktiska uppgifter.”
Under de senaste decennierna har forskare mest använt sig av en typ av felkorrigering, så kallade ytkoder, för kvantsystem. I dessa system kodar man samtidigt samma logiska information i många fysiska bitar, som är ordnade i ett stort tvådimensionellt rutnät. Fel kan härledas genom att jämföra kvantbitar med deras direkta grannar. Om de inte stämmer överens tyder det på att en qubit har gått fel.
”Problemet med det här är att man behöver en enorm resurs”, säger Xu. ”I vissa av de här systemen behövs det tusen fysiska qubits för varje logisk qubit, så i det långa loppet tror vi inte att vi kan skala upp det här till mycket stora datorer.”
Minskad redundans
I sitt nya system siktade Jiang, Xu och kollegorna vid Harvard University, Caltech, University of Arizona och QuEra Computing på att istället använda qLDPC-koder för att korrigera fel. Denna typ av felkorrigering hade länge övervägts, men inte implementerats i en realistisk plan.
Med qLDPC-koder jämförs data i qubits inte bara med direkta grannar utan även med mer avlägsna qubits. Det gör att ett mindre rutnät av qubits kan användas för att uppnå samma antal jämförelser för felkorrigering. Den här typen av långdistanskommunikation mellan qubits har dock alltid varit den springande punkten vid implementeringen av qLDPC.
Forskarna kom fram till en lösning i form av ny hårdvara: omkonfigurerbara atomer som kan flyttas med lasrar så att qubits kan prata med nya partners.
”Med dagens omkonfigurerbara atomarray-system kan vi styra och manipulera mer än tusen fysiska qubits med hög precision och koppla ihop qubits som är åtskilda av ett stort avstånd”, säger Harry Zhou vid Harvard University och QuEra Computing. ”Genom att matcha kvantkodernas struktur och dessa hårdvarukapaciteter kan vi implementera dessa mer avancerade qLDPC-koder med bara några få kontrollinjer, vilket gör att de kan realiseras med dagens experimentella system.”
När teamet kombinerade qLDPC-koder med omkonfigurerbara matriser av neutrala atomer kunde de uppnå en bättre felfrekvens än med ytkoder med bara några hundra fysiska qubits. Vid uppskalning kan kvantalgoritmer som involverar tusentals logiska qubits utföras med mindre än 100 000 fysiska qubits – mycket effektivare än ytkoderna som är guldstandarden.
”Det finns fortfarande redundans när det gäller att koda data i flera fysiska qubits, men tanken är att vi har reducerat den redundansen med mycket”, säger Xu.
Ramverket är fortfarande teoretiskt, även om forskare snabbt utvecklar atom-array-plattformar som rör sig mot den praktiska användningen av felkorrigerade kvantberäkningar. PME-teamet arbetar nu med att ytterligare finjustera sin plan och se till att de logiska qubits som bygger på qLDPC-koder och omkonfigurerbara atommatriser kan användas i beräkningar.
”Vi tror att det här på lång sikt kommer att göra det möjligt för oss att bygga mycket stora kvantdatorer med lägre felfrekvenser”, säger Xu.
Ytterligare information: Qian Xu et al, Constant-overhead fault-tolerant quantum computation with reconfigurable atom arrays, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02479-z
