Constant sized support state distillation with qubit recycling

Kwantumcomputers beloven problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor klassieke machines, van het ontwerpen van nieuwe medicijnen tot het kraken van complexe codes. Deze machines zijn echter ongelooflijk fragiel. De delicate kwantumtoestanden waarop ze vertrouwen, worden gemakkelijk verstoord door de kleinste hoeveelheid ruis of interferentie uit de omgeving. Om een bruikbare machine te bouen, moeten wetenschappers een techniek gebruiken die kwantumfoutcorrectie wordt genoemd, die werkt als een schild dat constant op zoek is naar fouten en deze herstelt voordat ze de berekening verpesten. Toch is er een addertje onder het gras. Hoewel foutcorrectie gegevens kan beschermen, kan het niet gemakkelijk elk type berekening uitvoeren dat vereist is voor een universele computer. Specifiek heeft het moeite met een bepaalde klasse operaties die essentieel zijn voor snelheid en veelzijdigheid. Om dit te omzeilen, gebruiken onderzoekers een workaround met speciale hulpstoestanden, vaak "magic states" genoemd, die in het systeem worden geïnjecteerd om deze moeilijke operaties mogelijk te maken.

Het probleem is dat deze hulpstoestanden moeilijk perfect te maken zijn. Ze komen meestal met een hoog foutpercentage uit de fabriek, veel te luidruchtig om nuttig te zijn voor een betrouwbare berekening. Om dit te herstellen, gebruiken wetenschappers een proces genaamd distillatie. Dit is vergelijkbaar met het raffineren van ruwe olie: je neemt veel ruisende, kwalitatief minder goede kopieën van de toestand en verwerkt deze samen om een kleiner aantal hoogwaardige, zuivere kopieën te produceren. De uitdaging is altijd geweest dat dit raffinageproces een enorme hoeveelheid hardware vereist. Het heeft een groot aantal fysieke componenten nodig om de gegevens vast te houden terwijl ze worden verwerkt, wat de hele operatie omvangrijk en duur maakt in termen van de benodigde middelen.

In een nieuwe studie heeft een onderzoeker aan de Universiteit van Genève een manier gevonden om deze enorme hardwarevereiste drastisch te verkleinen. Het werk introduceert een nieuwe familie van methoden voor het distilleren van deze magic states die extreem hoge zuiverheidsniveaus kunnen bereiken terwijl ze een vast, klein aantal qubits gebruiken, ongeacht hoe perfect het eindresultaat moet zijn. Voorheen, als een wetenschapper de betrouwbaarheid van de output wilde vergroten, moest hij een grotere machine bouwen met meer qubits om het extra werk te verrichten. Deze nieuwe aanpak verbreekt die regel. Door een slimme truc genaamd qubit-recycling te gebruiken, stelt het protocol hetzelfde kleine groepje qubits in staat om herhaaldelijk in een sequentie te worden gebruikt, in plaats van dat er voor elke stap een nieuwe, grotere groep nodig is.

De onderzoeker ontwikkelde een recursieve methode, in feite een reeks instructies die keer op keer kan worden toegepast om krachtigere distillatieprotocollen te bouken. Deze methode begint met een eenvoudig, basaal bouwblok en gebruikt een techniek die bekend staat als code-verdubbeling om complexere versies te construeren. De belangrijkste innovatie ligt in de manier waarop de qubits worden beheerd. In traditionele methoden blijven veel qubits ongebruikt of worden ze slechts één keer gebruikt. In dit nieuwe kader toonde de onderzoeker aan dat bepaalde qubits gemeten, gereset en onmiddellijk opnieuw kunnen worden gebruikt voor een ander deel van de berekening. Dit betekent dat voor een specifieke mate van rekenkracht het aantal qubits niet groeit naarmate de gewenste kwaliteit van de output toeneemt. In plaats daarvan kan het protocol willekeurig hoge afstanden bereiken — een maatstaf voor hoe goed het fouten kan detecteren en corrigeren — met hetzelfde constante aantal logische qubits.

Het artikel demonstreert dat deze aanpak veel bekende efficiënte protocollen herstelt, maar ook geheel nieuwe protocollen onthult die veel compacter zijn. Zo identificeert de studie bijvoorbeeld een specifiek protocol voor het distilleren van een toestand die wordt gebruikt in de meest voorkomende kwantumcomputerarchitecturen, dat slechts 111 input-toestanden gebruikt om één hoogwaardige output te produceren. Hoewel dit als een groot aantal inputs kan klinken, is de fysieke voetafdruk van de machine die nodig is om het uit te voeren opmerkelijk klein. De onderzoeker berekende dat dit specifieke protocol op slechts zes qubits kan worden uitgevoerd. Dit is een aanzienlijke vermindering vergeleken met andere bekende methoden die meer dan tien qubits zouden vereisen om hetzelfde niveau van foutbescherming te bereiken. De studie bevat een gedetailleerde tabel die deze nieuwe protocollen vergelijkt met bestaande protocollen, waarbij wordt getoond dat de nieuwe methoden consequent een veel kleiner "volume" aan middelen bieden, wat het product is van het aantal qubits en de benodigde tijdstappen.

Deze vermindering in omvang is niet zomaar een kleine verbetering; het verandert de haalbaarheid van het bouwen van deze machines. In veel voorgestelde ontwerpen voor kwantumcomputers is de mogelijkheid om qubits met elkaar te verbinden beperkt. Het hebben van een protocol dat werkt met een klein, vast aantal qubits maakt het veel gemakkelijker om de distillatiefabriek in deze beperkte architecturen te passen. De onderzoeker onderzocht ook hoe deze methode kan worden uitgebreid om meer dan één hoogwaardige toestand tegelijk te produceren. Hoewel de winst in efficiëntie voor meerdere outputs niet zo spectaculair is als voor enkelvoudige outputs, biedt het kader nog steeds aanzienlijke besparingen op de middelen. Het werk suggereert dat door de stappen van de berekening zorgvuldig te ordenen en componenten te hergebruiken, de fysieke kosten voor het maken van deze essentiële magic states tot een beheersbaar niveau kunnen worden gebracht.

De bevindingen worden gepresenteerd als een wiskundige constructie die rigoureus is bewezen te werken. De onderzoeker heeft niet alleen gesuggereerd dat dit zou kunnen werken; hij heeft een formeel bewijs geleverd dat deze nieuwe protocollen de noodzakelijke eigenschappen behouden om fouten effectief te corrigeren. De studie erkent ook dat hoewel het aantal qubits constant blijft, de tijd die nodig is om het protocol uit te voeren toeneemt naarmate de gewenste kwaliteit omhoog gaat. Echter, in de context van het bouwen van een kwantumcomputer is het besparen op het aantal fysieke componenten vaak de meest kritieke flessenhals. Door aan te tonen dat hoogwaardige distillatie mogelijk is met een constant, klein aantal qubits, biedt dit onderzoek een duidelijke weg naar meer praktische en compacte kwantumfoutcorrectiesystemen. Het werk concludeert door op te merken dat hoewel andere technieken, zoals het parallel draaien van operaties, de kosten verder kunnen verlagen, het vermogen om qubits op deze specifieke manier te recyclen een fundamentele verbetering biedt die het hele proces van het bouwen van een fouttolerante kwantumcomputer toegankelijker maakt.