Less precise but less noisy: local circuits for momentum-space state preparation and measurement

In de zoektocht naar het bouwen van machines die problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, strijden wetenschappers om de meest fragiele substantie in het universum te temmen: kwantumtoestanden. Dit zijn de bouwstenen van een nieuw soort computertechnologie, in staat om het complexe gedrag van atomen en moleculen te simuleren om nieuwe materialen of medicijnen te ontdekken. Deze machines zijn echter ongelooflijk gevoelig. De kleinste verstoring uit de omgeving — warmte, trilling of elektromagnetische interferentie — kan de informatie die ze bevatten verstoren, waardoor berekeningen mislukken. Om dit te bestrijden, hebben onderzoekers zich traditioneel gericht op twee hoofdverdedigingen: het maken van de berekeningen zo kort mogelijk en het gebruik van zo min mogelijk stappen. De logica was simpel: minder stappen betekent minder kansen dat de machine een fout maakt. Maar een recent experiment suggereert dat deze strategie misschien een cruciaal onderdeel van de puzzel mist. Het blijkt dat de manier waarop een berekening is gestructureerd net zo belangrijk is als hoe lang deze duurt. Sommige paden door de berekening zijn inherent fragieler dan andere, en soms is het nemen van een iets langere, meer kronkelende route eigenlijk de veiligere weg naar het antwoord.

Een team van onderzoekers bij Quantinuum, werkend met hun geavanceerde kwantumcomputer, besloot dit idee te testen door twee zeer verschillende manieren te vergelijken om een specifieke kwantumtoestand voor te bereiden. Ze keken naar een eenvoudig model van een keten van atomen, een systeem dat gemakkelijk te beschrijven is maar moeilijk perfect te simuleren is op een ruisgevoelige machine. Eén methode die ze gebruikten, was de Fermionische Fourier-transformatie, een zeer precieze digitale tool die werkt als een perfecte lens, waardoor de computer de exacte impuls van elk deeltje in het systeem kan zien. Deze methode is wiskundig elegant en geeft een kristalhelder beeld van de eigenschappen van het systeem. De andere methode was een adiabatische evolutie, een meer fysieke benadering die het systeem langzaam van een eenvoudig startpunt naar de complexe toestand leidt die ze wilden, vergelijkbaar met het zachtjes draaien aan een knop in plaats van het omzetten van een schakelaar. Terwijl de eerste methode bekend staat om zijn precisie, staat de tweede bekend om het robuustere karakter, hoewel deze meestal meer stappen vereist om hetzelfde resultaat te bereiken.

De onderzoekers zetten zich in om te zien welke methode beter zou presteren op hun eigen hardware, die niet perfect is en een kleine hoeveelheid ruis bevat. Ze voerden beide methoden uit op hetzelfde systeem, waarbij ze het aantal stappen zorgvuldig aanpasten zodat beide ongeveer dezelfde rekenkracht gebruikten. Voor kleine systemen waren de resultaten precies wat de theorie voorspelde: de precieze digitale methode, de Fermionische Fourier-transformatie, produceerde een schoner en nauwkeuriger resultaat. Echter, naarmate ze de grootte van het systeem vergrootten, gebeurde er iets onverwachts. Zodra de keten van atomen groeide tot boven de twintig deeltjes, draaide de trend om. De adiabatische methode, die in een perfecte wereld iets minder precies was, begon resultaten te produceren met aanzienlijk lagere energie-fouten dan de precieze digitale methode. Sterker nog, voor een systeem van achtenveertig deeltjes presteerde de adiabatische aanpak consequent beter dan de digitale een, zelfs toen beide een vergelijkbaar aantal stappen tot hun beschikking hadden.

De reden voor deze omkering ligt in de manier waarop fouten zich door de berekening verspreiden. De precieze digitale methode werkt door deeltjes te verbinden die ver uit elkaar liggen in het systeem, waardoor een web van interacties op lange afstand ontstaat. Hoewel dit zorgt voor een hoge resolutie, betekent het ook dat een enkele fout in één deel van de machine kan uitwaaieren en de gehele berekening kan corrumperen. Het is als het proberen te balanceren van een kaartenhuis waarbij elke kaart aan elke andere kaart is vastgeplakt; als één kaart verschuift, stort de hele structuur in. In contrast hiermee vertrouwt de adiabatische methode op lokale interacties, waarbij deeltjes alleen met hun directe buren communiceren. Als er een fout optreedt, blijft deze gelokaliseerd en beïnvloedt deze slechts een klein deel van het systeem. De onderzoekers ontdekten dat voor de digitale methode de fout lineair groeide met de grootte van het systeem, terwijl voor de lokale methode de fout constant bleef, ongeacht hoe groot het systeem werd. Dit betekent dat voor grotere, complexere problemen de "ruisgevoelige" lokale methode eigenlijk de meest betrouwbare weg is.

Om te bewijzen dat dit principe toegepast kan worden op echte metingen, ontwikkelde het team ook een nieuwe manier om de impuls van deeltjes te meten zonder de hoogprecisie digitale tool te gebruiken. In plaats van de globale lens van de Fourier-transformatie te gebruiken, gebruikten ze een reeks lokale metingen die keken naar hoe deeltjes gecorreleerd waren met hun buren. Deze nieuwe techniek, die ze "momentumdistributie vanuit lokale metingen" noemen, offert het vermogen op om extreem vergelijkbare impulsen van elkaar te onderscheiden. Echter, voor de meeste fysieke toepassingen is dergelijke extreme precisie niet nodig. Wat ertoe doet, is de algemene vorm van de gegevens correct krijgen. Wanneer ze deze nieuwe methode op hun kwantumcomputer testten om een eigenschap genaamd de spectrale functie te meten, werkte het opmerkelijk goed. Het identificeerde succesvol de belangrijkste kenmerken van het systeem, zoals de locatie van energiepieken, met veel minder ruis dan de traditionele methode. De resultaten waren schoner en nauwkeuriger, wat aantoonde dat het opgeven van een beetje theoretische precisie kan leiden tot een enorme winst in praktische betrouwbaarheid.

Dit werk daagt de langgevestigde overtuiging uit dat de beste kwantumalgoritmen simpelweg die zijn met de minste stappen of de kortste duur. De onderzoekers toonden aan dat de architectuur van het circuit zelf een vitale rol speelt in hoe goed het overleeft in de ruisgevoelige realiteit van de huidige technologie. Door methoden te kiezen die minder gevoelig zijn voor fouten, zelfs als ze in theorie iets minder precies zijn, kunnen wetenschappers betere resultaten behalen op de machines die ze vandaag de dag hebben. De bevindingen suggereren dat de toekomst van quantum computing misschien niet ligt in het bouwen van steeds snellere, steeds complexere digitale circuits, maar in het ontwerpen van slimmere, meer fysieke benaderingen die meebewegen met de natuur van de hardware in plaats van ertegen te vechten. Voor toepassingen in chemie en materiaalkunde, waar het doel is om te begrijのは hoe atomen zich gedragen in plaats van ze met oneindige precisie te tellen, zou deze afweging tussen precisie en robuustheid de sleutel kunnen zijn tot het ontsluiten van het ware potentieel van kwantumcomputers.