Forskare utvecklar felkorrigerande kvantdatorer

Genom en kombination av 3D-kod på en 2D-struktur kan ny forskning drastiskt förenkla utvecklingen av kvantdatorer.

Utvecklingen av kvantdatorer har tagit stora steg framåt de senaste åren. Från att ha varit konceptuella skapelser som kunnat beräkna enskilda kvantbitar (qubits) med låg pålitlighet når moderna kvantdatorer beräkningskapacitet som i vissa tillämpningar vida överstiger kapaciteten hos traditionella superdatorer.

Ett problem som inte lösts med moderna varianter är att kvantdatorer kräver extremt avancerade tekniska lösningar för kylning såväl som felhantering av de svårhanterliga kvantberäkningarna. Det sistnämnda kan vara på väg att lösas då IEEE Spectrum rapporterar att den brittiska forskaren Benjamin Brown presenterar en lösning för felhantering av kvantberäkningar där tredimensionell kod appliceras på tvådimensionell hårdvara.

Kvantdator_Google.jpg

Bildkälla: Google.

Lösningen bygger på ett koncept för felhantering vid namn "the surface code" som utvecklats av en grupp inom Googles kvantdatordivision. Den stora utvecklingen med denna lösning är att den applicerar tredimensionella beräkningar i ett tvådimensionellt plan, vilket gör det möjligt att bygga in felkorrigeringen i traditionella tvådimensionella kretsar. Koden nyttjar det fysikaliska fenomenet kvantsammanflätning (eng. quantum entanglement).

Kvantbitarna som struktureras tillsammans på 2D-strukturer kan kommunicera med varandra, och därigenom avslöja om närliggande kvantbitar uppvisar fel. Detta blir viktigt när kvantdatorn ska utföra mer komplicerade beräkningar, vilket kräver användning av så kallade kvantgrindar (eng. quantum gate). Kombinationen av flera sådana gör det möjligt att utföra logiska funktioner.

För att en kvantdator ska komma till praktisk användning behöver den stöda en typ av kvantgrindar som kallas Clifford gate set. Detta måste i sin tur kombineras med beräkningsmetoden magic-state distillation, vilken rensar Clifford gate set från det "brus" som annars kan störa kvantberäkningar. Kombinationen är effektiv, men också väldigt krävande för systemet som ska utföra den.

Given it is understood to be impossible to use two-dimensional code like the surface code to do the work of a non-Clifford gate, I have used a three-dimensional code and applied it to the physical two-dimensional surface code scheme using time as the third dimension. This has opened up possibilities we didn’t have before

Benjamin Brown har lyckats lösa problemet genom att utveckla en form av Clifford gate set som inte kräver den prestandaintensiva brusrensande processen. Resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Science Advances och beskriver hur Brown använder tid som den tredje dimensionen för att utföra tvådimensionella surface code-beräkningar.

Kvantdator_lager.jpg

Bildkälla: University of Sydney.

Detta bygger på att tre lager av surface code interagerar med varandra över tid. Av kodens 3D-struktur hämtas sedan ursnitt som kombineras till ett tvådimensionellt plan, och beräkningar kan därmed utföras på denna kod. Processen upprepas över tid och kan hantera fel som uppstår i 3D-ursnitten i koden. Brown konstaterar att lösningen kan frigöra kvantdatorns hårdvaruresurser från att hantera felkorrigering, och därmed låta den ägna resurserna åt andra uppgifter istället.

I’ve shown this to work theoretically, mathematically. The next step is to simulate the code and see how well it works in practice

Samtidigt konstaterar Benjamin Brown också att lösningen med felkorrigerande kvantberäkningar har bevisats matematiskt, men att det fortfarande återstår att implementera koden i praktiken och se hur den beter sig där.

Läs mer om kvantdatorer:

Tack för tipset Vzano!

I butiken: SweClockers Hardware Dreams

Surfar du SweClockers om nätterna? Drömmer du om nästa datorbygge? Denna midnattsblå t-shirt är specialdesignad för tvättäkta entusiaster som älskar datorer och hårdvara.

Köp här!