Onderzoekers van Caltech hebben een kwantumwisser ontwikkeld om ‘wisfouten’ in kwantumcomputersystemen te corrigeren. De techniek omvat het manipuleren van aardalkali-neutrale atomen in laserlicht "pincetten" die fouten kunnen detecteren en corrigeren door middel van fluorescentie. Deze innovatie vertienvoudigt de mate van verstrengeling van het neutrale atomaire systeem van Redberg, waarmee een belangrijke stap wordt gezet in de richting van het verbeteren van de betrouwbaarheid en schaalbaarheid van kwantumcomputers.
Verwacht wordt dat toekomstige kwantumcomputers een revolutie teweeg zullen brengen in het oplossen van problemen op verschillende gebieden, zoals het creëren van duurzame materialen, het ontwikkelen van nieuwe medicijnen en het blootleggen van complexe problemen in de fundamentele natuurkunde. Deze baanbrekende kwantumsystemen zijn momenteel echter gevoeliger voor fouten dan de klassieke computers die we tegenwoordig gebruiken. Zou het niet mooi zijn als onderzoekers een speciale kwantumgum zouden kunnen bedenken en fouten zouden kunnen wissen?
Onderzoekers hebben voor het eerst met succes de identificatie en verwijdering van ‘wisfouten’ aangetoond.
Een team van onderzoekers onder leiding van het California Institute of Technology is de eerste geweest die een kwantumgum heeft gedemonstreerd, meldt Nature. Natuurkundigen hebben aangetoond dat ze fouten kunnen opsporen en corrigeren die bekend staan als ‘wisfouten’ in kwantumcomputersystemen.
"Het is vaak moeilijk om fouten in kwantumcomputers op te sporen, omdat alleen al het zoeken ernaar ervoor zorgt dat er meer fouten optreden", zegt Adam Shaw, co-eerste auteur van de nieuwe studie en een afgestudeerde student in het laboratorium van Manuel Endres, hoogleraar natuurkunde bij Caltech. "Maar uit ons onderzoek blijkt dat we met enige zorgvuldige controle bepaalde fouten kunnen opsporen en elimineren zonder enige gevolgen, en dat is waar het verwijderen van de naam vandaan komt."
Kwantumcomputers zijn gebaseerd op natuurkundige wetten op subatomair gebied, zoals verstrengeling, een fenomeen waarbij deeltjes met elkaar verbonden blijven en elkaar nabootsen zonder direct contact. In de nieuwe studie concentreerden de onderzoekers zich op een kwantumcomputerplatform dat arrays van neutrale atomen of ongeladen atomen gebruikt. Concreet manipuleerden ze individuele aardalkali-neutrale atomen die waren ingesloten in een "pincet" gemaakt van lasers. Deze atomen worden opgewonden naar een toestand van hoge energie, de "Redberg" -toestand, waarin naburige atomen met elkaar beginnen te interageren.
‘De atomen in ons kwantumsysteem praten met elkaar en raken verstrikt’, legt Pascal Scholl uit, een andere co-eerste auteur van de studie, die postdoctoraal onderzoeker was bij Caltech en nu werkt bij een Frans kwantumcomputerbedrijf genaamd PASQAL.
Verstrengeling is de sleutel tot kwantumcomputers die klassieke computers kunnen overtreffen. ‘De natuur houdt er echter niet van om deze staat van kwantumverstrengeling in stand te houden’, legt Scholl uit. "Uiteindelijk zullen er fouten optreden die de hele kwantumtoestand vernietigen. Deze verstrengelde toestanden kunnen worden gezien als manden vol appels, en de atomen zijn de appels. Na verloop van tijd zullen sommige appels beginnen te rotten, en als deze appels niet uit de mand worden gehaald en vervangen door nieuwe, zullen alle appels snel rotten. Het is niet duidelijk hoe deze fouten volledig kunnen worden voorkomen, dus de enige haalbare manier op dit moment is het opsporen en corrigeren van de fouten."
Het nieuwe foutopsporingssysteem is zo ontworpen dat foutieve atomen fluoresceren of gloeien wanneer ze door laserlicht worden geraakt. "We hebben beelden van de gloeiende atomen die ons vertellen waar de fouten zitten, zodat we ze kunnen uitsluiten van de definitieve statistieken of extra laserpulsen kunnen gebruiken om ze proactief te corrigeren", zei Scholl.
De theorie van het implementeren van wisdetectie in neutrale atoomsystemen werd voor het eerst voorgesteld door Jeff Thompson, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Princeton, en zijn collega's. Het team rapporteerde onlangs ook een demonstratie van de technologie in het tijdschrift Nature.
Het Caltech-team zegt dat ze, door fouten in hun systeem van Redberg-atomen te elimineren en te lokaliseren, de algehele snelheid of betrouwbaarheid van verstrengeling kunnen vergroten. In de nieuwe studie ontdekte het team dat slechts één paar op de duizend atoomparen er niet in slaagde verstrengeld te raken. Dit is een tienvoudige verbetering ten opzichte van eerdere resultaten en het hoogste verstrengelingspercentage dat bij dit type systeem is waargenomen.
Uiteindelijk voorspellen deze resultaten veel goeds voor kwantumcomputerplatforms die arrays van neutrale Redberg-atomen gebruiken. Neutrale atomen zijn het meest schaalbare type kwantumcomputer, maar tot nu toe hebben ze geen hoge mate van verstrengelingsgetrouwheid gekend.
Referentie: "Erasure Transformation in the High-Fidelity Redberg Quantum Simulator", door Pascal Scholl, Adam L. Shaw, Richard Bing-Shiun Tsai, Ran Finkelstein, Joonhee Choi en Manuel Endres, 11 oktober 2023, tijdschrift "Nature".
DOI:10.1038/s41586-023-06516-4
Samengestelde bron: ScitechDaily