Perangkat kuantum pertama yang mendeteksi dan memperbaiki kesalahannya sendiri

Anonim

Perangkat kuantum pertama yang mendeteksi dan memperbaiki kesalahannya sendiri

Fisika

Colin Jeffrey

23 Maret 2015

3 gambar

Fisikawan yang bekerja di UC Santa Barbara mengklaim telah menciptakan terobosan sirkuit kuantum yang memeriksa dan memperbaiki kesalahannya sendiri (Foto: Julian Kelly / UC Santa Barbara)

Sebelum impian komputasi kuantum disadari, sejumlah masalah yang melekat harus dipecahkan terlebih dahulu. Salah satunya adalah kemampuan untuk mempertahankan sistem memori stabil yang mengatasi ketidakstabilan intrinsik dari unit dasar informasi dalam komputasi kuantum - bit kuantum atau "qubit ". Untuk mengatasi masalah ini, Fisikawan yang bekerja di Universitas California Santa Barbara (UC Santa Barbara) mengklaim telah menciptakan sirkuit terobosan yang terus-menerus memeriksa sendiri ketidakakuratan untuk secara konsisten mempertahankan status kesalahan-bebas dari memori kuantum.

Kerentanan terhadap kesalahan yang disebabkan oleh lingkungan - seperti peristiwa sinar kosmik atau hanya keruntuhan koherensi kuantum yang tidak diketahui, misalnya - berarti bahwa informasi yang terkandung dalam qubit mudah hilang. Dan karena sifat keterjeratan kuantum yang diperlukan untuk mengkodekan qubit di tempat pertama, setiap upaya untuk mereplikasi informasi juga akan segera mengguncangnya.

"Salah satu tantangan terbesar dalam komputasi kuantum adalah bahwa qubit secara inheren salah, " kata Julian Kelly, peneliti mahasiswa pascasarjana di laboratorium fisika John Martini di UC Santa Barbara. "Jadi, jika Anda menyimpan beberapa informasi di dalamnya, mereka akan melupakannya. " Alih-alih mencoba mempertahankan integritas qubit dengan, katakanlah, menjebaknya dalam isotop silikon, tim UC Santa Barbara malah memilih untuk pendekatan berbasis algoritma.

Tidak seperti komputer konvensional, komputer kuantum tidak menggunakan penyimpanan data biner (satu dan nol), di mana sedikit dapat menjadi salah satu dari dua negara. Sebaliknya, komputer kuantum menggunakan apa yang dikenal sebagai "superposisi, " di mana data yang terkandung dalam qubit juga dapat berupa 0 atau 1 (atau bahkan keduanya secara bersamaan jika pengkodean superdense digunakan), dan mungkin ada di setiap dan semua posisi yang mungkin. secara bersamaan, dan dalam berbagai dimensi.

Namun, sementara ini sifat qubit jelas menguntungkan dalam hal daya komputasi, juga sifat ini yang membuat qubit rentan terhadap "flipping " (keadaan berubah secara acak), terutama ketika di lingkungan yang tidak stabil, dan dengan demikian sulit untuk bekerja dengan.

"Sulit memproses informasi jika hilang, " kata Kelly.

Untuk membantu memecahkan masalah ini, deteksi kesalahan dan proses koreksi baru menggunakan sistem di mana beberapa qubit dibuat untuk beroperasi bersama untuk menjaga informasi. Untuk mencapai hal ini, informasi disimpan secara bersamaan di sejumlah qubit.

".

idenya adalah bahwa kita membangun sistem ini dari sembilan qubit, yang kemudian dapat mencari kesalahan, "kata Kelly. " Qubit di grid bertanggung jawab untuk menjaga informasi yang terdapat di tetangga mereka dalam deteksi kesalahan berulang dan sistem koreksi yang dapat melindungi informasi yang sesuai dan menyimpannya lebih lama daripada setiap qubit individu. "

Ini diperlukan karena qubit ada dalam status quantum di mana Anda dapat mengetahui posisi partikel atau Anda dapat mengukur momentumnya, tetapi tidak keduanya. Untuk melakukannya akan menghasilkan dekoherensi qubit ke keadaan acak.

"Anda tidak dapat mengukur status quantum, dan mengharapkannya untuk tetap kuantum, " kata Peneliti pascapoktoral UC Santa Barbara, Rami Barends. "Tindakan pengukuran mengunci qubit ke dalam satu keadaan dan kemudian kehilangan kekuatan superposisinya."

Untuk melakukan ini, ilmuwan staf UC Santa Barbara, Austin Fowler, menggunakan apa yang disebut "kode permukaan" untuk memberikan informasi tentang kesalahan. Diperoleh dengan berulang kali mengukur setiap qubit setelah interaksi dengan qubit data tetangga terdekat pada matriks, perubahan nilai pengukuran menunjukkan adanya rantai kesalahan dalam ruang dan waktu.

Dengan kata lain, kode ini menggunakan informasi paritas untuk mendeteksi variasi apa pun dari data asli. Dalam hal ini, jika keadaan polarisasi diterapkan ke sejumlah qubit yang ditetapkan adalah "bahkan " dan qubit ini kemudian ditransmisikan di tempat lain dalam sistem, setiap perubahan pada polarisasi itu akan terlihat dengan membandingkan keadaan tersebut antara qubit asli dan yang ditransmisikan .

Ini berbeda dengan cara standar pengecekan data di komputer yang melibatkan duplikasi data asli untuk mencari kesalahan - tugas yang mustahil dalam komputasi kuantum, karena qubit harus tetap tidak teramati untuk mempertahankan integritasnya.

"Jadi Anda mengeluarkan cukup informasi untuk mendeteksi kesalahan, tetapi tidak cukup untuk mengintip di balik kap mesin dan menghancurkan quantum-ness, " kata Kelly.

Sejauh ini, penelitian telah membuktikan bahwa ia mampu meniadakan kesalahan "bit-flip " qubit, tetapi tim berharap untuk menghadapi masalah-masalah dekoherensi qubit lainnya, seperti kesalahan pelengkap "fase-balik, ".

Peneliti senior dari kelompok Martinis kini juga bermitra dengan Google untuk mengeksplorasi lebih jauh teknologi dan penelitian ini dalam aplikasi komputasi kuantum.

Makalah tim muncul di jurnal Nature.

Perbarui 20, April 2015: Cerita ini awalnya dikreditkan UC Berkeley sebagai sumber dan bertanggung jawab untuk penelitian. Ini tidak benar, dengan penelitian yang benar-benar dilakukan di UC Santa Barbara. Kami mohon maaf kepada pembaca dan mereka yang terlibat dalam penelitian untuk kesalahan, yang kini telah diperbaiki.

Sumber: UC Santa Barbara

Skema sistem koreksi kesalahan qubit dan algoritme yang sesuai (Foto: UC Santa Barbara)

Fisikawan yang bekerja di UC Santa Barbara mengklaim telah menciptakan terobosan sirkuit kuantum yang memeriksa dan memperbaiki kesalahannya sendiri (Foto: Julian Kelly / UC Santa Barbara)

Peneliti UC Santa Barbara, dari kiri ke kanan: Julian Kelly, John Martinis, dan Rami Barends (Foto: Sonia Fernandez / UC Santa Barbara)