Unitary fault-tolerant encoding of Pauli states in surface codes

Quantumcomputers beloven problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor de huidige machines, van het ontwerpen van nieuwe medicijnen tot het modelleren van complexe materialen. Deze machines zijn echter ongelooflijk fragiel; de kleinste verstoring door warmte of elektromagnetische golven kan de informatie die ze bevatten verstoren. Om een bruikbare quantumcomputer te bouwen, moeten wetenschappers deze delicate data beschermen met een methode die quantumfoutcorrectie wordt genoemd. Deze aanpak werkt als een vangnet, waarbij een enkel stuk informatie over vele fysieke deeltjes wordt verspreid, zodat als er één faalt, de anderen kunnen onthullen wat er is gebeurd en het kunnen herstellen. Het meest populaire blauwdruk voor dit vangnet wordt de surface code genoemd, die deze deeltjes in een plat rooster rangschikt. Hoewel onderzoekers hebben beheerst hoe ze fouten uit dit rooster kunnen lezen en deze kunnen herstellen, blijft er een hardnekkig probleem bestaan: hoe creëer je aanvankelijk de beschermde, "logische" toestanden van informatie zonder nieuwe fouten te introduceren tijdens het creatieproces zelf.

Jarenlang omvatte de standaardmanier om deze begintoestanden voor te bereiden een tweestaps-proces. Eerst zouden wetenschappers alle fysieke deeltjes instellen op een eenvoudige, bekende toestand. Daarna zouden ze een reeks metingen uitvoeren om de stabiliteit van het rooster te controleren, waarbij de resultaten worden gebruikt om het systeem aan te passen. Deze methode werkt, maar heeft een verborgen gebrek. De handeling van het meten is traag en foutgevoelig, en het proces van het controleren van het rooster kan soms fouten verspreiden op een manier die de code niet kan opvangen. Bovendien is in sommige geavanceerde quantummachines, zoals die die gebruikmaken van gevangen ionen of neutrale atomen, de handeling van het meten zo veel langzamer en ruiziger dan het simpelweg toepassen van een gate (een quantum-schakelaar), dat de standaardmethode een flessenhals wordt. Onderzoekers zochten al lang naar een manier om deze toestanden voor te bereiden met behulp van alleen snelle, lokale operaties, maar eerdere pogingen om dit te doen slaagden er niet in om het hoge niveau van bescherming te behouden dat de code zou moeten bieden.

In een nieuwe studie heeft een team van onderzoekers een methode ontwikkeld om deze beschermde toestanden voor te bereiden met behulp van alleen snelle, lokale operaties, zonder afhankelijk te zijn van metingen tijdens de creatiefase. Ze ontdekten een specifieke sequentie van operaties die de complexe, verstrengelde toestand vereist voor de surface code van de grond af aan opbouwt. De sleutel tot hun succes ligt in de manier waarop ze de verbindingen tussen deeltjes afhandelen. In plaats van te proberen elk deeltje met elk ander deeltje te verbinden tegelijkertijd, wat fysiek onmogelijk is in veel apparaten, gebruiken ze een stapsgewijze aanpak die rekening houdt met de fysieke lay-out van het rooster. Ze beginnen met een eenvoudige toestand en breiden de verbindingen geleidelijk uit, waarbij ze de stappen zorgvuldig ordenen zodat elke kleine fout die tijdens het proces optreedt klein blijft en zich niet ongecontroleerd verspreidt. Dit zorgt ervoor dat de uiteindelijke toestand net zo goed beschermd is als wanneer deze door de tragere, meting-gebaseerde methode was gecreëerd.

De onderzoekers testten hun idee met computersimulaties die het gedrag van quantumgates onder realistische ruisomstandigheden modelleerden. Ze vergeleken hun nieuwe methode met de standaard meting-gebaseerde aanpak voor surface codes van verschillende groottes. De resultaten toonden aan dat voor bepaalde typen quantumhardware, met name die waar metingen traag en ruizig zijn, hun nieuwe methode aanzienlijk beter is. In sommige gevallen verminderde de nieuwe aanpak de snelheid van logische fouten met een factor tien vergeleken met de standaardmethode. Deze verbetering komt voort uit twee hoofdfactoren: de nieuwe methode gebruikt minder operaties in totaal, wat betekent dat er minder kansen zijn dat er iets misgaat, en het vermijdt de fouten die typisch binnensluipen wanneer data wordt overgedragen naar en van meetapparatuur.

Het team verkende ook twee variaties van hun methode. De ene versie maakt gebruik van extra hulpdeeltjes, genaamd ancilla's, om verbindingen tussen de belangrijkste datadeeltjes te overbruggen. De andere versie, die zelfs beter presteerde in hun simulaties, verbindt de datadeeltjes rechtstreeks met elkaar zonder deze helpers. Deze directe verbinding is mogelijk in machines waar de deeltjes kunnen worden verplaatst of hun verbindingen on-the-fly kunnen worden geherconfigureerd, zoals in neutrale atoomarrays of gevangen ion-systemen. Door de noodzaak van de hulpdeeltjes weg te nemen, elimineerden de onderzoekers een hele klasse van potentiële fouten, wat leidde tot schonere, betrouwbaardere begintoestanden.

Dit werk is bijzonder belangrijk voor de toekomst van quantumcomputing omdat het een praktische weg vooruit biedt voor hardwareplatforms die worstelen met metingen. Hoewel de nieuwe methode in termen van het aantal stappen iets langer duurt dan de meting-gebaseerde aanpak, zal het in real-time waarschijnlijk sneller zijn voor veel machines omdat de stappen die het gebruikt veel sneller uit te voeren zijn dan de trage, ruizige metingen. Belangrijker nog, het lost een cruciaal veiligheidsprobleem op: het garandeert dat de bescherming die de foutcorrigerende code biedt, behouden blijft vanaf het moment dat de toestand wordt gecreëerd. Dit betekent dat wanneer de computer zijn berekeningen start, hij begint met een toestand die al robuust is tegen fouten, in plaats van een toestand die kwetsbaar is totdat een ronde van correcties wordt uitgevoerd.

De onderzoekers erkennen dat hun methode geen universele oplossing is voor elke mogelijke quantumarchitectuur. Het leunt bijvoorbeeld op het vermogen om operaties tussen naburige deeltjes uit te voeren, en het lost nog niet het probleem op om tegelijkertijd te beschermen tegen alle soorten fouten tijdens de creatiefase. Maar door aan te tonen dat een puur operationele, meting-vrije aanpak hetzelfde niveau van veiligheid kan bereiken als de traditionele methode, hebben ze een nieuwe deur geopend. Hun werk suggereert dat voor de volgende generatie quantumprocessors, vooral die gebouwd met atomen of ionen, de meest betrouwbare manier om een berekening te starten, het volledig overslaan van de metingen is en simpelweg de toestand opbouwen met snelle, precieze gates. Deze verschuiving zou de tijd die quantumcomputers doorbrengen wachtend op metingen aanzienlijk kunnen verminderen en de algemene foutpercentages kunnen verlagen, waardoor de droom van fouttolerante quantumcomputing een stap dichter bij de realiteit wordt gebracht.