Universal syndrome-based recovery for noise-adapted quantum error correction

Kwantumcomputers beloven problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor klassieke machines, van het ontwerpen van nieuwe medicijnen tot het modelleren van complexe chemische reacties. Deze machines zijn echter ongelooflijk fragiel. De delicate kwantumtoestanden waar ze op vertrouwen, worden gemakkelijk verstoord door de kleinste ruis uit hun omgeving, wat fouten veroorzaakt die een berekening in een fractie van een seconde kunnen ruïneren. Om een bruikbare kwantumcomputer te bouwen, moeten wetenschappers een manier ontwikkelen om informatie te beschermen tegen deze ruis zonder de kwantumtoestand zelf te vernietigen. Dat is de taak van kwantumfoutcorrectie.

In traditionele benaderingen gebruiken wetenschappers een methode die vergelijkbaar is met het controleren van een bonnetje tegen een lijst met verwachte artikelen. Ze meten specifieke eigenschappen van de componenten van de computer, genaamd syndromen, om te zien of er een fout is opgetreden. Als de metingen overeenkomen met een bekend patroon, weet de computer precies wat er mis is gegaan en kan hij het herstellen. Dit werkt goed wanneer de ruis willekeurig en onvoorspelbaar is, maar het heeft moeite wanneer de ruis een specifiek, voorspelbaar patroon volgt, zoals de neiging van een kwantumbit om energie te verliezen en te zakken naar een lagere staat. Voor deze specifieke soorten ruis hebben wetenschappers gespecialiseerde codes ontwikkeld die efficiënter zijn, maar zij worden geconfronteerd met een nieuw probleem: de signalen die een fout aangeven, vervagen vaak in elkaar, waardoor het onmogelijk wordt om met standaard meetinstrumenten precies te bepalen welke fout er is opgetreden.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld om deze verwarring op te helderen, waardoor deze gespecialiseerde codes effectief kunnen werken op echte hardware. Hun werk pakt een fundamentele flessenhals in het vakgebied aan: hoe fouten te identificeren wanneer de "handtekeningen" van die fouten overlappen. Door een wiskundig proces te creëren dat deze overlappende signalen scheidt, heeft het team de weg vrijgemaakt voor het gebruik van een krachtige hersteltechniek die voorheen te moeilijk te implementeren was. Ze testten hun aanpak op echte kwantumprocessors en toonden aan dat het de levensduur van kwantuminformatie aanzienlijk kon verlengen, een cruciale stap naar het bouwen van machines die complexe programma's kunnen draaien zonder te falen.

De kernuitdaging waar de onderzoekers mee te maken kregen, komt voort uit de aard van de ruis in moderne kwantumapparaten. Ho'ewel sommige ruis willekeurig is, is de dominante fout in veel supergeleidende kwantumcomputers een specif kind van ruis genaamd amplitude-demping. Dit is als een bal die een heuvel afrolt; de kwantumbit wil van nature energie verliezen en van een hoogenergetische staat naar een lage-energetische staat vallen. Standaard foutcorrectiecodes zijn ontworpen om willekeurige schokken op te vangen, maar ze zijn vaak inefficiënt bij het oplossen van dit specifieke "naar beneden rollen van de heuvel"-probleem. Om dit te oplossen, hebben wetenschappers gespecialiseerde codes ontwikkeld, zoals de vier-qubit Leung-code, die op maat zijn gemaakt om dit specifieke type fout te vangen. Deze codes hebben echter een gebrek: wanneer een fout optreedt, landt de resulterende staat van de computer niet in een unieke, onderscheidende locatie die gemakkelijk te identificeren is. In plaats daarvan overlappen de mogelijke fouttoestanden, waardoor het onmogelijk is om de ene fout van de andere te onderscheiden met behulp van standaard meettechnieken.

Om dit op te lossen, bedachten de onderzoekers een algoritmische procedure om deze overlappende toestanden te scheiden. Stel je voor dat je een stapel gemengde gekleurde lichten probeert te sorteren waarbij sommige kleuren in elkaar overvloeien; hun methode werkt als een filter die de kleuren scheidt zodat ze niet langer overlappen, waardoor elke kleur onderscheidend en identificeerbaar wordt. Zodra ze deze fouttoestanden hadden gescheiden, konden ze een geavanceerde hersteltechniek toepassen die bekend staat als de Petz-map. Deze map is een wiskundig recept om de effecten van ruis om te keren, maar het is berucht moeilijk om op echte hardware uit te voeren omdat het meestal extreem complexe circuits vereist die te groot zijn om te bouwen. De scheidingsalgoritme van de onderzoekers maakte het probleem zo eenvoudig dat ze een veel kleiner, efficiënter circuit konden ontwerpen om de herstelactie uit te voeren. Dit nieuwe circuit, dat ze een "syndrome-based Petz recovery" noemen, stelt de computer in staat om de fout te identificeren en te herstellen zonder dat daarvoor de enorme computationele middelen nodig zijn die de methode voorheen onpraktisch maakten.

Het team zette hun theorie op de proef door hun nieuwe herstelcircuits te draaien op echte kwantumprocessors van IBM, specifiek de Heron- en Eagle-chips. Ze richtten zich op de vier-qubit Leung-code, die is ontworpen om de amplitude-dempingruis te beschermen die gebruikelijk is in deze machines. In hun experiment bereidden ze een kwantumtoestand voor en lieten ze deze een tijdje liggen, zodat de natuurlijke ruis deze kon degraderen. Vervolgens pasten ze hun nieuwe herstelproces toe en maten ze hoeveel van de oorspronkelijke informatie overbleef. De resultaten waren opmerkelijk. Op de IBM Brisbane-processor verdubbelde het foutcorrectieproces de tijd die de kwantuminformatie kon overleven voordat deze verviel. Op de IBM Torino-processor was de verbetering zelfs nog dramatischer, waarbij de overlevingstijd met een factor vijf werd verlengd. Deze resultaten zijn significant omdat ze "break-even" prestaties demonstreren, wat betekent dat de foutgecorrigeerde qubit langer standhield dan een standaard, ongecorrigeerde qubit, een mijlpaal die eerder alleen met andere soorten codes op andere hardware was bereikt.

Het succes van dit experiment berust op een slimme aanpassing van het herstelproces aan de specifieke hardwarebeperkingen. De onderzoekers ontdekten dat door zich te concentreren op het herstellen van een specifiek type kwantumtoestand in plaats van te proberen elke mogelijke toestand tegelijkertijd te herstellen, ze het aantal complexe operaties drastisch konden verminderen. Deze reductie was essentieel omdat de fysieke verbindingen tussen de qubits op de chip beperkt zijn, en het toevoegen van te veel operaties zou nieuwe fouten introduceren die de voordelen van de correctie teniet zouden doen. Door het circuit te optimaliseren voor de specifieke lay-out van de IBM-processors, zorgden ze ervoor dat het herstelproces snel en efficiënt genoeg was om in de praktijk daadwerkelijk te werken.

Dit werk vormt een grote stap voorwaarts in de praktische toepassing van kwantumfoutcorrectie. Het toont aan dat gespecialiseerde, aan ruis aangepaste codes werkbaar kunnen zijn op echte hardware, mits het probleem van het identificeren van overlappende fouten wordt opgelost. De methode van de onderzoekers om deze fouttoestanden te scheiden biedt een universeel instrument dat in de toekomst op andere codes en soorten ruis kan worden toegepast. Hoewel het huidige experiment zich richtte op een specifieke vier-qubit code en een specifiek type ruis, opent het onderliggende principe van het onderscheidend maken van overlappende signalen de deur naar robuustere en efficiëntere kwantumcomputers. Het vermogen om de levensduur van kwantuminformatie met factoren twee of vijf te verlengen op bestaande hardware suggereert dat het pad naar grootschalige, fouttolerante kwantumcomputers duidelijker wordt, één gecorrigeerde bit tegelijk.