První kvantové zařízení, které detekuje a opravuje své vlastní chyby

Anonim

První kvantové zařízení, které detekuje a opravuje své vlastní chyby

Fyzika

Colin Jeffrey

23. března 2015

3 obrázky

Fyzici pracující na UC Santa Barbara tvrdí, že vytvořili průlomové kvantové obvody, které kontrolují a opravují své vlastní chyby (foto: Julian Kelly / UC Santa Barbara)

Předtím, než se uskuteční sen o kvantové práci, je třeba nejprve vyřešit řadu základních problémů. Jedním z nich je schopnost udržovat stabilní paměťový systém, který překonává vnitřní nestabilitu základní jednotky informací v kvantové práci - kvantový bit nebo "qubit". K řešení tohoto problému fyzikové pracující na univerzitě v Kalifornii Santa Barbara (UC Santa Barbara) tvrdí, že vytvořili průlomové obvody, které průběžně kontrolují nepřesnosti, aby neustále udržovaly stav bezchybného stavu kvantové paměti.

Zranitelnost na environmentálně indukovanou chybu - například události kosmického záření nebo prostě neznámé zhroucení kvantové koherence - například znamená, že informace obsažené v qubit jsou snadno ztraceny. A kvůli povaze kvantového zapletení, které je zapotřebí k zakódování qubitů, se jakýkoliv pokus o replikaci informací okamžitě destabilizuje.

"Jedním z největších problémů v oblasti kvantové výpočetní techniky je, že qubits jsou neodmyslitelně vadné, " řekl Julian Kelly, výzkumný pracovník postgraduálního studia v laboratoři fyziky Johna Martiniho v UC Santa Barbara. "Takže pokud uložíte nějaké informace v nich, budou to zapomenuty." "Spíše než pokusit se o zachování integrity qubitů, řekněme, zachytit ji v isotopu křemíku, tým UC Santa Barbara místo toho volil pro algoritmus založený přístup.

Na rozdíl od běžných počítačů kvantové počítače nepoužívají binární ukládání dat (ty a nuly), kde bit může být jeden ze dvou stavů. Namísto toho používají kvantové počítače to, co je známo jako "superpositioning", kde data obsažená v qubit mohou být také 0 nebo 1 (nebo dokonce oba současně, pokud je použito superdense kódování) a mohou existovat ve všech a všech možných polohách současně a v různých rozměrech.

Zatímco tato vlastnost qubits je z hlediska výpočetní síly zřetelně výhodná, je to také znak, který činí qubity náchylné k "převrácení" (náhodně se měnícího stavu), zejména v nestabilních prostředích, a proto je obtížné pracovat.

"Je těžké zpracovávat informace, pokud zmizí, " řekl Kelly.

Pro vyřešení tohoto problému používá nový proces zjišťování a opravy chyb systém, v němž se provádí několik qubits, aby společně pracovali na uchování informací. K dosažení tohoto cíle se informace současně ukládají v celé řadě qubits.

".

myšlenka je, že budeme stavět tento systém devíti qubits, který pak může hledat chyby, "říká Kelly." Qubits v síti jsou zodpovědné za ochranu informací obsažených v jejich sousedech v systému opakované detekce a opravy chyb, který může chránit příslušné informace a ukládat je delší, než jakákoli individuální qubitová kazeta. "

To je nezbytné, protože qubits existují v kvantovém stavu, kde můžete buď poznat polohu částice nebo měřit její hybnost, ale ne obojí. To provedete tak, že vyvolají náhodný stav deformace qubit.

"Nemůžete měřit kvantový stav a očekávat, že bude ještě kvantum, " řekl UC Santa Barbara postdoctorální výzkumník Rami Barends. "Samotný akt měření zablokuje qubit do jediného stavu a pak ztratí svoji superpoziční sílu."

K tomu, UC Santa Barbara vědecký pracovník, Austin Fowler, používal to, co se nazývá "povrchový kód" poskytovat informace o chybách. Získaný opakovaným měřením každé qubit po interakci s nejbližšími datovými qubits sousedícími s maticemi, změny v naměřené hodnotě indikují přítomnost řetězců chyb v prostoru a čase.

Jinými slovy tento kód využívá informace o paritě pro zjištění jakékoliv změny původních dat. V tomto případě, je-li polarizační stav aplikovaný na nastavený počet qubits je "rovnoměrný" a tyto qubits jsou pak přenášeny jinde v systému, jakákoliv změna této polarizace bude vidět porovnáním tohoto stavu mezi původní a vyslanými qubits .

To se liší od standardního způsobu kontroly dat v počítači, který zahrnuje duplikování původních dat, aby hledali chyby - nemožný úkol v kvantové počítačové práci, protože qubits musí zůstat bez povšimnutí, aby si udrželi svou integritu.

"Takže vytáhnete jen dostatek informací, abyste zjistili chyby, ale nestačí, abyste se pod kapucí podívali a zničili kvantum, " řekl Kelly.

Dosavadní výzkum dokázal, že je schopen vyvrátit chybu "bit-flip" qubit, ale tým doufá, že další konfrontaci s jinými problémy s dekompatibilitou qubit, jako je komplementární "fázová flip, " chyba.

Starší vědci z skupiny Martinis nyní spolupracují se společností Google, aby dále prozkoumali tuto technologii a výzkum v aplikacích s kvantovou výpočetní technikou.

Týmový papír se objevuje v časopise Nature.

Aktualizace 20, duben 2015: Tento příběh původně připsal UC Berkeley jako zdroj a zodpovědný za výzkum. To bylo nesprávné, s výzkumem skutečně provedeným na UC Santa Barbara. Omlouváme se čtenářům a účastníkům výzkumu za chybu, která byla nyní opravena.

Zdroj: UC Santa Barbara

Schéma systému qubit error correction a odpovídajícího algoritmu (Photo: UC Santa Barbara)

Fyzici pracující na UC Santa Barbara tvrdí, že vytvořili průlomové kvantové obvody, které kontrolují a opravují své vlastní chyby (foto: Julian Kelly / UC Santa Barbara)

UC Santa Barbara vědci zleva doprava: Julian Kelly, John Martinis a Rami Barends (foto: Sonia Fernandez / UC Santa Barbara)