Tusen gånger snabbare beräkningsprocesser ska få kvantdatorer att räkna rätt

https://mb.cision.com/Public/5569/4392934/86604820f9e687b4_800x800ar.jpg

Kvantdatorer är känsliga för störningar och fel, vilket har hindrat deras genombrott i samhället. Ju längre tid en kvantoperation tar, desto högre är risken för beräkningsfel. Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola utvecklat en ny metod som gör det möjligt att utföra ett brett spektrum av avancerade kvantoperationer mer än tusen gånger snabbare. Genombrottet löser en välkänd flaskhals inom området och banar väg för feltoleranta kvantdatorer.

Inom en snar framtid väntas kvantdatorernas enorma beräkningskraft kunna leda till teknologiska genombrott inom områden som läkemedelsutveckling, energisystem, kryptering, artificiell intelligens och logistik. Men för att teknologin ska få sitt genombrott behöver kvantdatorerna bli betydligt mer tillförlitliga än idag.

En utmaning är de beräkningsfel som uppstår när kvantdatorer bearbetar information. Felen beror på små störningar från omgivningen; elektriskt brus, kosmisk strålning eller överhettning i systemet. Även vanliga datorer drabbas av den här typen av fel, men tack vare effektiva felkorrigeringsmetoder kan problem då snabbt upptäckas och rättas till. För kvantdatorer är utmaningen betydligt större.

– 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 och försteförfattare till en vetenskaplig artikel som publicerats i tidskriften Physical Review Letters.

Alternativ lagring för bättre skydd 

I jakten på mer motståndskraftiga och feltoleranta kvantdatorer försöker forskare hitta alternativa sätt för att skydda den ömtåliga kvantinformationen. Här har användandet av så kallade bosoniska kvantkoder* seglat upp som ett lovande tillvägagångssätt.

– 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, förklarar Tangyou Huang, forskare inom kvantteknologi på Chalmers, och medförfattare till studien.

Tusen gånger snabbare kvantoperationer

Kvantoperationer baserade på bosoniska kvantkoder är samtidigt svåra att både skapa och styra. För att bygga upp sådana kvanttillstånd stegvis har man tidigare behövt upprepa tusentals styrsignaler i form av laser- eller mikrovågspulser – en i sammanhanget tidsödande process. Problemet är att ju längre tid det tar, desto större är risken att störningar hinner avbryta kvantberäkningen.

Nu presenterar alltså Chalmersforskarna Lei Du och Tangyou Huang en helt 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.

Löser flaskhals i jakten på feltoleranta kvantdatorer

Nyckeln i forskarnas lösning är så kallade kvantgittergrindar, en ny universell uppsättning av verktyget kvantgrindar som samma forskargrupp nyligen presenterade. Likt ett snabbkommando minskar dessa grindar antalet styrsteg drastiskt och gör processen både enklare och mindre känslig för misstag.

– 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, förklarar Tangyou Huang.

Metoden är utformad för att kunna användas i supraledande kvantdatorer, en av de plattformar som idag ligger längst fram i utvecklingen av storskaliga kvantdatorer. Det är också den typen av kvantdator som byggs vid Chalmers tekniska högskola, och som inom några års tid ska ha 100 kvantbitar.

– Det är en viktig styrka att vår metod kan användas på dagens supraledande kvantdatorer. Vi för redan diskussioner med kollegor på Chalmers om möjliga experimentella tester, och vi hoppas kunna demonstrera metoden inom en snar framtid, säger Tangyou Huang.

– 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.
 

Mer om bosoniska koder, kvantgittergrindar och Floquet-styrning

*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. Den nya metoden från Chalmersforskarna kan i stället skapa kvantgittergrindar direkt i en enda styrpuls, vilket gör vissa operationer upp till tusen gånger snabbare.

Mer om forskningen:

Den vetenskapliga artikeln “Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates” har publicerats i Physical Review Letters. Författarna är Tangyou Huang, Lei Du och Lingzhen Guo. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola och Tianjin University i Kina.

Forskningen har finansierats av The National Natural Science Foundation of China (NSFC), Wallenberg Center for Quantum Technology (WACQT) samt Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

För mer information, kontakta:

Lei Du, forskare inom tillämpad kvantfysik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, lei.du@chalmers.se, 070 922 82 75.

Tangyou Huang, forskare inom kvantteknologi, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola, tangyou@chalmers.se, 070 144 95 16.

Bägge forskarna talar engelska och kinesiska (mandarin).
På Chalmers har vi poddstudior och filmutrustning på plats och kan bistå vid förfrågningar om tv-, radio- eller poddintervjuer.

Bildtext till fotokollaget överst på sidan:
Den nya metoden kan ge tusen gånger snabbare beräkningsprocesser, och är ett viktigt steg mot feltoleranta kvantdatorer.
Foto: Chalmers tekniska högskola | Malin Arnesson och Anna-Lena Lundquist.

Bildtext till bifogad illustration:
Ny metod för ultrasnabba kvantoperationer. Forskarnas metod omvandlar en önskad kvantoperation till en skräddarsydd sekvens av styrpulser (illustreras av de två vertikala planen till vänster). Styrpulserna styr snabbt kvantsystemet (representerat av konen) mot det önskade tillståndet (visas på planet nederst i illustrationen). Metoden är skapad för att kunna användas i supraledande kvantdatorer, en plattform som idag ligger långt fram i utvecklingen av storskaliga kvantdatorer.
Illustration: Chalmers tekniska högskola | Illustrationen är skapad av Tangyou Huang och Lei Du med hjälp av AI-verktyget ChatGPT.