En europeisk forskargrupp har revolutionerat kvantberäkningar genom att utveckla en metod som låter kvantdatorer växla mellan två olika felkorrigeringskoder under drift. Denna teknik, testad på en jonfälla-baserad kvantdator, möjliggör mer effektiva och felresistenta beräkningar – ett avgörande steg mot praktiskt användbara kvantdatorer .
Problem: Kvantvärldens unika felutmaning
Till skillnad från klassiska datorer kan kvantdatorer inte kopiera okända kvanttillstånd på grund av kvantmekanikens no-cloning-teorem. Detta gör det omöjligt att upptäcka fel genom att jämföra flera kopior av data, en teknik som är central i traditionell datorkorrigering . Istället förlitar sig kvantforskare på felkorrigeringskoder som distribuerar information över flera sammanflätade kvantbitar (qubits) för redundans .
Trots framsteg har varje enskild korrigeringskod begränsningar. Inget enskilt system kan hantera alla typer av kvantgrindar (logiska operationer) samtidigt som det skyddar mot fel – ett fenomen som teoretiskt beskrivits som ”ingen fri lunch” inom kvantinformationsvetenskap .
Lösningen: Dynamisk kodväxling
Forskare från Universität Innsbruck och RWTH Aachen har löst detta genom att kombinera två korrigeringskoder:
- 7-qubits färgkod: Effektiv för CNOT- och Hadamard-grindar .
- 10-qubits kod: Möjliggör felresistenta T-grindar, kritiska för universella beräkningar .
Genom att automatiskt växla mellan dessa koder kan systemet undvika begränsningar i enskilda koders kapacitet. ”När en grind är svår att implementera i en kod, växlar vi till den andra”, förklarar doktorand Friederike Butt, en av forskarna .
Experimentell framgång på jonfälla-plattform
I experimentet användes en jonfälla-baserad kvantdator med 12 logiska kvanttillstånd. Teamet demonstrerade för första gången en fullständig uppsättning universella kvantgrindar under skydd av dubbla korrigeringskoder . Nyckeln låg i att integrera:
- Felresistent kodväxling: Utan att introducera nya fel under övergången .
- Real-tids algoritmer: För att hantera komplexiteten i dynamiska system .
Resultaten publicerades i Nature Physics och visar att metoden minskar felrisk markant jämfört med enskilda kodsystem .
Implikationer för framtidens kvantdatorer
- Skalbar felkorrigering: Tekniken kan anpassas till större system med fler qubits, en förutsättning för praktiska tillämpningar som kvantkemi eller kryptografi .
- Flexibilitet: Andra kodkombinationer kan optimeras för specifika uppgifter, exempelvis Shor-algoritmen för faktorisering .
- Mindre resurskrav: Traditionella metoder kräver upp till 1 000 fysiska qubits per logisk qubit – denna metod kan reducera detta .
Utmaningar kvarstår
- Prestanda i större system: Även om experimentet lyckades med 12 logiska tillstånd, krävs test på hundratals qubits för att validera skalbarheten .
- Energiförbrukning: Dynamisk kodväxling ökar systemets komplexitet, vilket kan kräva mer avkyllning och kontrollkretsar .
Slutsats: En ny era för kvantteknik
Denna metod öppnar dörren för mer robusta kvantdatorer som klarar längre beräkningar utan fel. Som Markus Müller, en av projektledarna, noterar: ”Detta är inte bara ett tekniskt genombrott – det är ett paradigmbyte i hur vi närmar oss felkorrigering” . Med ytterligare utveckling kan tekniken bli en byggsten i den kommande kvantrevolutionen.
Källor
- Nature Physics: Experimental fault-tolerant code switching
- University of Innsbruck Press Release
- Interesting Engineering: Quantum Error Solving with Dual Codes
- Sciencenet: Ion Trap Quantum Computing Breakthrough
- La Brújula Verde: Autonomous Quantum Refrigeration
- arXiv: Quantum Error Correction Near Theoretical Bound
DOI-länken till studien publicerad i Nature Physics som beskriver den dynamiska kodväxlingen är:
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02727-2
