Characterising the failure mechanisms of error-corrected quantum logic gates

Om een computer te bouwen die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige machines liggen, proberen wetenschappers een nieuw soort processor te creëren die gebruikmaakt van de vreemde regels van de quantumfysica. Deze machines vertrouwen op delicate eenheden informatie die qubits worden genoemd, die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan. Qubits zijn echter uiterst fragiel; de kleinste verstoring door warmte of elektrische ruis kan de informatie die ze bevatten corrupt maken, waardoor de berekening mislukt. Om dit tegen te gaan, gebruiken onderzoekers een techniek genaamd foutcorrectie. In plaats van te vertrouwen op een enkele qubit, groeperen ze veel fysieke qubits samen om één robuustere "logische" qubit te vormen. Dit systeem controleert zichzelf voortdurend, vergelijkbaar met een spellingcontrole die een document scant op typefouten, door specifieke patronen van de qubits te meten zonder naar de werkelijke data te kijken. Als een fout wordt gedetecteerd, kan het systeem deze herstellen voordat deze zich verspreidt. Het uiteindelijke doel is om deze logische qubits stabiel genoeg te maken om complexe programma's uit te voeren, maar om daar te komen is het nodig om precies te begrijpen hoe en waarom deze beschermende systemen falen in echte hardware.

Een team van onderzoekers heeft onlangs een belangrijke stap richting dit doel gezet door deze foutcorrigerende systemen te testen op een echte quantumprocessor gemaakt door IBM. Ze concentreerden zich op een specifiek ontwerp dat bekend staat als de heavy-hex code, die de qubits in een patroon rangschikt dat goed past bij de fysieke lay-out van de machine. De onderzoekers wilden twee kritieke uitdagingen begrijpen: hoe goed het systeem informatie over de tijd kan opslaan, en hoe goed het logische operaties kan uitvoeren, wat de eigenlijke berekeningen zijn. Hiervoor voerden ze twee soorten experimenten uit. Het eerste was een geheugentest, waarbij ze simpelweg probeerden een logische qubit zo lang mogelijk in leven te houden terwijl het systeem op fouten controleerde. Het tweede was een stabiliteitstest, waarbij een logische gate-operatie werd gesimuleerd om te zien of het systeem een berekening succesvol kon voltooien ondanks de ruis en imperfecties van de hardware.

In hun geheugenexperiment ontdekten het team dat de manier waarop ze op fouten controleerden, meer schade aanrichtte dan goed deed. In de standaardaanpak meet de machine één type fout, reset de meetinstrumenten, en meet vervolgens een tweede type. Dit proces duurt lang, en terwijl de machine wacht, verliezen de qubits van nature hun informatie door een traag vervalproces. De onderzoekers ontwierpen de schakeling opnieuw om beide typen fouten tegelijkertijd te meten en elimineerden de noodzaak om de meetinstrumenten tussen controles te resetten. Door dit te doen, verkortten ze de tijd die nodig is voor een volledige foutcontrolecyclus van 11,1 microseconden naar slechts 3,2 microseconden. Deze versnelling had een dramatisch effect: het overlevingspercentage van de logische qubit steeg van minder dan 90 procent naar meer dan 96 procent per cyclus. Het team kwam tot de conclusie dat de belangrijkste vijand niet de meting zelf was, maar de tijd die de qubits doorbrachten in afwachting terwijl de metingen werden uitgevoerd.

Het tweede deel van de studie keek naar wat er gebeurt wanneer de machine een logische gate probeert uit te voeren, een fundamentele operatie die vereist is voor elke berekening. Hierbij testten de onderzoekers of het herhaaldelijk uitvoeren van de foutcontroles de operatie betrouwbaarder zou maken. Ze ontdekten dat naarmate ze het aantal controles verhoogden, de kans dat de operatie mislukte inderdaad afnam, wat aantoonde dat het systeem naar behoren werkte om fouten te onderdrukken. Ze merkten echter ook een afruil op. Elke extra controle kost meer tijd, en die extra tijd geeft de qubits meer kans om natuurlijk te vervallen. De onderzoekers vergeleken twee versies van het experiment: één die een standaard resetprocedure gebruikte na elke meting, en één die de reset oversloeg en in plaats daarvan een software-update gebruikte om veranderingen bij te houden. Verrassend genoeg ontdekten ze bijna geen verschil in prestaties tussen de twee. Dit was onverwacht omdat eerdere theorieën suggereerden dat het overslaan van de reset nieuwe soorten fouten zou introduceren. Het team concludeerde dat op deze specifieke machine het resetproces zelf net zo ruisachtig is als de meting, waardoor het verwijderen ervan niet de gehoopte voordelen opleverde.

Om precies te begrijpen welke onderdelen van de machine de meeste problemen veroorzaakten, bouwden de onderzoekers een gedetailleerde computersimulatie die het gedrag van hun fysieke apparaat nabootste. Ze voedden de simulatie met gegevens over hoe vaak de machine fouten maakte in haar gates, hoe vaak zij de resultaten van een meting verkeerd las, en hoeveel de qubits dreven tijdens het wachten. Door deze getallen in de simulatie aan te passen, konden ze zien welke factor de grootste impact had op het eindresultaat. De simulatie onthulde dat meetruis het dominante probleem was. Fouten bij het uitlezen van de staat van de qubits waren veel schadelijker voor het succes van de logische gates dan fouten in de gates zelf of de tijd die de qubits doorbrachten met wachten. Deze bevinding suggereert dat het simpelweg laten duren van de qubits of het nauwkeuriger maken van de gates niet voldoende zal zijn om het probleem op te lossen. In plaats daarvan is de meest kritieke weg vooruit het verbeteren van de snelheid en nauwkeurigheid van de mid-circuit metingen—het proces van het uitlezen van de qubits terwijl de computer draait.

De studie biedt een duidelijke routekaart voor de volgende generatie quantumcomputers. Het laat zien dat hoewel de huidige hardware in staat is om foutgecorrigeerde informatie op te slaan en te verwerken, de prestaties momenteel worden beperkt door de snelheid waarmee de machine haar eigen staat kan uitlezen. De onderzoekers hebben aangetoond dat door de timing van deze uitlezingen te optimaliseren en onnodige stappen te verwijderen, zij de betrouwbaarheid van het systeem aanzienlijk konden vergroten. Hun werk bevestigt dat de weg naar een grootschalige, fouttolerante quantumcomputer niet alleen ligt in het bouwen van betere qubits, maar in het ontwerpen van het hele systeem om de tijd te minimaliseren waarin deze fragiele eenheden worden blootgesteld aan de ruisige omgeving. De resultaten wijzen erop dat als toekomstige apparaten qubits sneller en met minder fouten kunnen meten, het succespercentage van complexe quantumoperaties drastisch zal verbeteren, waardoor de droom van een praktische quantumcomputer dichter bij de realiteit komt.