Snabbare väg till kvantdatorer som räknar rätt
Forskare vid Chalmers har löst en flaskhals som bromsar utvecklingen av kvantdatorer. En ny metod kan göra vissa beräkningar mer än tusen gånger snabbare och samtidigt minska risken för fel.
Kvantdatorernas enorma beräkningskraft väntas kunna leda till teknologiska genombrott inom läkemedelsutveckling, energisystem, kryptering, artificiell intelligens och logistik. Men för att tekniken ska kunna användas i större skala måste kvantdatorerna bli mer tillförlitliga.
En utmaning är de beräkningsfel som uppstår när kvantdatorerna bearbetar information. Små störningar från omgivningen, som elektriskt brus, kosmisk strålning och överhettning, kan påverka beräkningarna. Även vanliga datorer drabbas av störningar, men där finns effektiva metoder för att upptäcka och rätta till felen. För kvantdatorer är det betydligt svårare.
– Kvantdatorernas grundläggande byggstenar, kvantbitar, är så känsliga att minsta störning kan göra att kvanttillståndet bryts och information förstörs. Om tillräckligt många fel uppstår utan att de rättas till avbryts beräkningen, säger Lei Du, forskare inom tillämpad kvantfysik, på Chalmers i ett pressmeddelande.
Alternativ lagring för bättre skydd
För att minska störningar och fel undersöker forskare nya sätt att skydda kvantinformation. Ett spår är så kallade bosoniska kvantkoder.
– Det innebär att i stället för att lagra kvantinformation i enskilda kvantbitar försöker man lagra informationen på ett annat sätt, nämligen i de mikrovågsfält som finns i supraledande kretsar. Den här metoden har visat sig kunna ge kvantdatorer ett starkare skydd mot vissa typer av fel, säger Tangyou Huang, forskare inom kvantteknologi på Chalmers.
Kvantoperationer baserade på bosoniska kvantkoder är samtidigt svåra att både skapa och styra. Tidigare har forskare behövt upprepa styrsignaler i form av tusentals laser- eller mikrovågspulser. Det tar tid, och ju längre processen pågår desto större är risken att störningar avbryter beräkningen.
Ny metod snabbar på processen
I en studie presenterar Chalmersforskarna en ny strategi. I stället för att försöka uppnå kvanttillstånd steg för steg har de utvecklat en metod som kan utföra den här typen av kvantoperation betydligt snabbare än vad som tidigare varit möjligt.
– Vår metod visar att vi kan göra flera olika kvantoperationer av det här slaget i en enda sekvens, i stället för att behöva upprepa processen flera tusen gånger. Kvantoperationerna blir alltså snabbare och mer effektiva, och man minskar risken för att störningar ska hinna förstöra informationen. Det här är ett viktigt steg mot feltoleranta kvantdatorer, säger Lei Du.
Nyckeln i forskarnas lösning är så kallade kvantgittergrindar. De fungerar ungefär som ett snabbkommando och minskar antalet styrsteg kraftigt. Det gör processen både enklare och mindre känslig för störningar. Med den nya metoden kan kvantgittergrindar skapas i en enda styrpuls, vilket gör vissa operationer upp till tusen gånger snabbare.
– Man kan likna det vid ett stort legoslott. I stället för att bygga ihop slottet bit för bit och riskera att det blir fel någonstans på vägen så funkar kvantgittergrindarna som en färdig legomodul som du snabbt kan sätta ihop med en annan färdig modul, säger Tangyou Huang.
Kan användas i supraledande kvantdatorer
Metoden är utformad för att kunna användas i supraledande kvantdatorer, en av de plattformar som kommit längst i utvecklingen av storskaliga kvantdatorer. Det är också den typ av kvantdator som byggs vid Chalmers, med målet att ha 100 kvantbitar inom några år.
– Våra resultat angriper ett stort flaskhalsproblem på området: hur man snabbt och effektivt kan skapa och styra de felkorrigerande kvanttillstånd som framtida kvantdatorer kommer att behöva, säger Lei Du.
Vetenskaplig artikel:
Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates, Physical Review Letters.
Mer om bosoniska koder och kvantgittergrindar
- Bosoniska koder lagrar kvantinformation i tillstånd hos exempelvis mikrovågsresonatorer i stället för i enskilda kvantbitar. De är ett lovande verktyg för kvantfelkorrigering eftersom de kan ge ett inbyggt skydd mot vissa typer av fel. För att bearbeta informationen krävs kvantoperationer.
- Kvantgittergrindar är en ny typ av grundläggande verktyg för att styra kvanttillstånd i bosoniska kvantsystem. Genom att bygga upp och kombinera dessa verktyg kan forskare utföra många olika avancerade kvantoperationer.
- En metod för att genomföra sådana operationer är Floquet-styrning, där kvantsystemet påverkas av regelbundna styrpulser. Tidigare Floquet-baserade metoder har ofta byggt på långsamma processer som kräver många sådana pulser efter varandra. Chalmersforskarnas nya metod kan i stället skapa kvantgittergrindar direkt i en enda styrpuls, vilket gör vissa operationer upp till tusen gånger snabbare.