Loss-tolerant distributed lattice surgery using fusion networks

Het bouwen van een kwantumcomputer die echte problemen kan oplossen, vereist meer dan slechts een paar duizend kleine deeltjes die fungeren als informatiehouders; het vereist er miljoenen. Het enorme aantal fysieke componenten dat nodig is om een enkel stukje informatie te beschermen tegen de constante ruis van het universum, betekent dat geen enkele machine ooit groot genoeg zal zijn om ze allemaal te bevatten. In plaats daarvan kijken wetenschappers naar een toekomst waarin veel kleinere kwantumprocessors aan elkaar gekoppeld zijn, wat een gedistribueerd netwerk vormt. De uitdaging ligt in de verbinding zelf. Terwijl de processors binnen de machines zijn gemaakt van vaste materie, vertrouwen de verbindingen tussen hen op licht. Dit creëert een fundamentele mismatch: de vaste onderdelen lijden aan trage, gestage fouten, terwijl de op licht gebaseerde verbindingen gevoelig zijn voor plotselinge, catastrofale defecten waarbij fotonen simpelweg verdwijnen.

In dit nieuwe onderzoek hebben onderzoekers aan Imperial College London een manier ontwikkeld om deze kloof te overbruggen. Ze stellen een hybride methode voor die het verlies van licht niet behandelt als een ramp die vermeden moet worden, maar als een bekend evenement dat beheerd kan worden. Door de standaard circuitgebaseerde operaties die binnen de processors worden gebruikt te combineren met een op meting gebaseerde aanpak die ontworpen is voor licht, hebben ze een protocol gecreëerd voor het samenvoegen van twee afzonderlijke kwantumgeheugens. Hun werk suggereert dat door de verbinding in een specifiek, verlengd patroon te arrangeren, ze de afstand waarover informatie wordt beschermd tijdens de samenvoeging kunnen verdubbelen, waardoor het hele systeem aanzienlijk robuuster wordt tegen het onvermijdelijke verlies van fotonen.

De kern van het probleem is hoe men een gezamenlijke operatie uitvoert, zoals het samenvoegen van twee kwantumgeheugens, over een netwerk waar de verbinding onbetrouwbaar is. In een standaardopstelling kunnen twee kwantumprocessors verbonden zijn door een directe communicatielijn. Als een foton verloren gaat in die lijn, raakt de informatie corrupt. Traditionele methoden proberen deze fouten te herstellen nadat ze zijn opgetreden, maar wanneer het verliespercentage hoog is, raakt het systeem overbelast. De onderzoekers stapten over op een andere strategie die wordt gebruikt in fotonische computing, waarbij het verlies van een deeltje wordt behandeld als een "heralded" (geannonceerd) evenement. Dit betekent dat het systeem precies weet wanneer een foton ontbreekt, waardoor de foutcorrectiesoftware in staat is om haar strategie in realtime aan te passen in plaats van te gokken wat er misging.

Om dit te testen, gebruikte het team een wiskundige taal genaamd ZX-calculus, die het mogelijk maakt om kwantumcircuits als diagrammen te visualiseren en te manipuleren. Ze begonnen met een standaardprocedure voor het samenvoegen van twee kwantumgeheugens, bekend als lattice surgery, en transformeerden het diagram om te zien hoe het gebouwd kon worden met een mix van solid-state componenten en lichtgebaseerde verbindingen. Ze ontdekten dat door de verbinding op te splitsen in een reeks kleinere, lineaire ketens van bronnen, ze een "hybride" interface konden creëren. In deze opstelling handelen de vaste processors de lokale operaties af, terwijl de op licht gebaseerde verbindingen de verbinding tussen hen verzorgen. Cruciaal was dat ze ontdekten dat deze hybride arrangement veel breder kon worden ontworpen dan een eenvoudige rechte lijn.

De onderzoekers simuleerden deze nieuwe architectuur onder verschillende omstandigheden om te zien hoe goed deze standhield. Ze vonden dat wanneer de lokale processors bijna perfect waren, de nieuwe hybride methode een fotonverliespercentage van tot wel 50 procent kon tolereren. Dit is een theoretische limiet voor dit type foutcorrectie, wat betekent dat het systeem kan overleven zelfs als de helft van de verbindende fotonen verdwijnt. Belangrijker nog, ze maten de "afstand" van de bescherming. In kwantumfoutcorrectie verwijst afstand naar hoeveel fouten gelijktijdig moeten optreden om het systeem te breken. Hun simulaties toonden aan dat het hybride lineaire-ketenontwerp de beschermingsafstand voor het meest kritieke deel van de operatie verdubbelde vergeleken met een standaard rechte verbinding. Waar een standaard verbinding een beschermingsafstand van ongeveer de helft van de codegrootte bood, breidde de nieuwe methode dit uit tot bijna de volledige grootte, en zelfs meer.

Echter, het voordeel van dit nieuwe ontwerp hangt sterk af van de kwaliteit van de lokale processors. Het team draaide simulaties met verschillende niveaus van ruis om te zien waar de nieuwe methode uitblinkt. Wanneer de lokale processors een matige foutenrate hadden, werden de voordelen van de langere beschermingsafstand grotendeels verborgen door de lokale ruis. In deze omstandigheden presteerde het systeem vergelijkbaar met oudere methoden. Maar naarmate de onderzoekers de lokale foutenrate verlaagden tot een zeer laag niveau, werd het voordeel van het hybride ontwerp duidelijk. De foutenrate voor de nieuwe methode daalde veel sneller dan voor de standaardmethoden naarmate de kwaliteit van de verbinding verbeterde. Dit suggereert dat de nieuwe architectuur specifiek is ontworpen voor een toekomst waarin lokale processors zeer betrouwbaar zijn, maar de netwerkverbindingen ruizig blijven.

De studie onderzocht ook wat er gebeurt als de resource-toestanden die voor de verbinding worden gebruikt kleiner of "afgeknot" (truncated) zijn. In een reële scenario kan het genereren van enorme ketens van verstrengelde deeltjes te moeilijk zijn, dus testten de onderzoekers kortere ketens. Ze vonden dat hoewel het verkorten van de ketens de maximale tolereerbare verliesrate verlaagde, het de beschermingsafstand niet verminderde. Dit betekent dat zelfs met kleinere, meer beheersbare bronnen, het systeem zijn structurele voordeel van een bredere beschermingszone behoudt, mits de verliesrate onder een bepaalde drempelwaarde blijft. Bijvoorbeeld, met ketens die acht deeltjes bevatten, kon het systeem nog steeds een verliesrate van ongeveer 38 procent tolereren, en met vijf-deeltjesketens ongeveer 32 procent.

Om deze resultaten relevant te maken voor daadwerkelijke hardware, vertaalde het team hun theoretische verliespercentages naar fysieke fotonverliesdrempels. Ze hielden rekening met het feit dat in echte optische systemen een mislukte fusie-meting soms kan worden versterkt door extra fotonen toe te voegen om de kans op succes te vergroten. Hun berekeningen toonden aan dat met de juiste mate van versterking, de nieuwe hybride protocollen fysieke fotonverliespercentages van bijna 18 procent konden tolereren voor de best-case scenario's, en rond de 9 procent voor de afgeknotte versies. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere schattingen voor gedistribueerde kwantumcomputing, die vaak worstelden met veel lagere tolerantie voor verlies.

De onderzoekers onderzochten ook hoe het systeem verschillende soorten informatie beschermt. Kwantuminformatie heeft twee hoofdaspecten, die vaak de "merge observable" en de "perpendicular observable" worden genoemd. Het nieuwe hybride ontwerp verbeterde de bescherming voor de merge observable aanzienlijk, waardoor het veiligheidsmargemargel effectief werd verdubbeld. Echter, voor de perpendicular observable bood het standaard "zig-zag" verbindingspatroon dat in oudere ontwerpen werd gebruikt nog steeds de beste bescherming. Dit geeft aan dat hoewel de nieuwe hybride methode een grote stap voorwaarts is, het nog niet elk aspect van het probleem perfect oplost. Het team suggereert dat toekomstig werk zich kan richten op het afstemmen van de faalmodi van de op licht gebaseerde verbindingen om een meer gebalanceerde bescherming voor beide soorten informatie te creëren.

Uiteindelijk biedt dit werk een blauwdruk voor hoe de kwantumcomputers van de toekomst verbonden kunnen worden. Het demonstreert dat door de sterke punten van solid-state processors te mengen met de verliesbestendige aard van fotonische netwerken, het mogelijk is om een gedistribueerd systeem te bouwen dat veel veerkrachtiger is dan de som der delen. De bevindingen suggeren dat naarmate lokale kwantumprocessors betrouwbaarder worden, de flessenhals zal verschuiven naar de netwerkverbindingen, en de hier beschreven hybride protocollen bieden een manier om die flessenhals te overwinnen. De simulaties bevestigen dat met het juiste ontwerp, een kwantumnetwerk kan overleven met het verlies van de helft van zijn verbindende fotonen, wat een realistisch pad opent naar het opschalen van kwantumcomputers naar de enorme omvang die vereist is voor praktische toepassingen.