Avoiding Defects within Heavy-Hexagon Architecture

Quantumcomputers beloven problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor zelfs de krachtigste supercomputers, van het ontwerpen van nieuwe medicijnen tot het kraken van complexe encryptie. De bouwstenen van deze machines, bekend als qubits, zijn echter ongelooflijk fragiel. Ze zijn zo gevoelig voor hun omgeving dat de kleinste verstoring kan ervoor zorgen dat ze hun informatie verliezen, een probleem dat bekend staat als een fout. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een methode genaamd quantumfoutcorrectie. In plaats van te vertrouwen op een enkele qubit om een stukje informatie vast te houden, verspreiden ze die informatie over vele fysieke qubits, waardoor een grotere, stabielere "logische" qubit ontstaat. Dit systeem controleert zichzelf voortdurend op fouten, vergelijkbaar met een team van redacteurs dat een document controleert op typefouten voordat deze permanent worden.

De uitdaging is dat de hardware die wordt gebruikt om deze computers te bouwen, niet perfect is. Tijdens het productieproces kunnen sommige qubits of de verbindingen tussen hen gebrekkig zijn. In een standaardopstelling werken deze gebreken als een kapotte weg in een stadsraster, waardoor het verkeer wordt afgesneden en het voor het foutcontrolemechanisme onmogelijk wordt om goed te functioneren. Als één component defect is, kan dit de gehele logische qubit doen falen, waardoor de computer onbruikbaar wordt. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd een manier te vinden om deze foutcorrectiesystemen soepel te laten draaien wanneer de onderliggende hardware imperfect is, vooral op nieuwere chipontwerpen die compacter zijn maar minder verbindingen tussen componenten hebben.

Een team van onderzoekers aan de Hanyang Universiteit in Zuid-Korea heeft een nieuwe strategie ontwikkeld om deze defecte onderdelen aan te pakken, specif kind voor een chipontwerp dat bekend staat als de heavy-hexagon architectuur. Dit ontwerp, dat door grote quantumhardwarebedrijven wordt gebruikt, is efficiënt maar heeft een unieke beperking: elke qubit is verbonden met slechts twee of drie buren, in plaats van de vier verbindingen die in oudere, ruimere ontwerpen te vinden zijn. Deze lagere connectiviteit maakt het moeilijker om een defect te omzeilen. De onderzoekers ontdekten dat door de manier waarop de foutcontrole-signalen worden gemeten te herorganiseren, ze de defecte componenten effectief konden omzeilen zonder het hele systeem te hoeven herbouwen. Hun aanpak stelt de computer in staat om de defecte delen te negeren en door te gaan met opereren, een prestatie die voorheen als veel moeilijker werd beschouwd op deze specifieke chips.

Om de doorbraak te begrijpen, moet men eerst kijken naar hoe deze computers gewoonlijk werken. In een standaard foutcorrectiecode meet het systeem groepen qubits om te zien of ze het met elkaar eens zijn. Als een qubit defect is, stuurt deze een constante stroom van valse alarmen uit, wat het systeem in verwarring brengt en het onmogelijk maakt om te zien waar echte fouten optreden. Eerdere methoden om dit te repareren omvatten het creëren van "superstabilizers", wat grotere groepen qubits zijn die zich rond het defect verzamelen om het te isoleren. Echter, deze oudere methoden waren ontworpen voor chips met meer verbindingen en vereisten vier afzonderlijke stappen om de benodigde informatie te meten. Op de heavy-hexagon chips, die minder verbindingen hebben, was dit proces van vier stappen te traag en te complex om praktisch te zijn.

Het team van de Hanyang Universiteit realiseerde zich dat ze dit proces aanzienlijk konden stroomlijnen. In plaats van vier stappen te nemen om de informatie rond een defect te meten, bedachten ze een manier om dit in slechts twee stappen te doen. Ze bereikten dit door gebruik te maken van de specifieke lay-out van de heavy-hexagon chip. Deze lay-out bevat extra qubits die oorspronkelijk voor andere doeleinden bedoeld waren, maar de onderzoekers hebben ze hergebruikt om als tijdelijke boodschappers te fungeren. Deze extra qubits helpen de meetsignalen over de defecte gebieden te dragen, waardoor het systeem de nodige gegevens snel kan verzamelen. Door dit te doen, konden ze een nieuwe, grotere foutcontrole groep construeren die de defecte qubit volledig overslaat, waardoor het defecte deel effectief wordt behandeld alsof het niet aanwezig is.

De onderzoekers testten deze theorie op een echte quantumcomputer geleverd door IBM, specifiek een model genaamd ibm_boston, dat 156 qubits bevat gerangschikt in het heavy-hexagon patroon. Ze identificeerden een specifieke qubit op de chip die permanent defect was en consequent hoge foutpercentages vertoonde, ongeacht hoe de machine werd afgesteld. Vervolgens voerden ze twee verschillende experimenten uit: één waarbij het foutcorrectiesysteem probeerde normaal te werken ondanks de defecte qubit, en één waarbij ze hun nieuwe methode voor defectvermijding gebruikten om eromheen te routeren. De resultaten waren duidelijk. Wanneer het systeem probeerde rond het defecte deel te werken met hun nieuwe methode, daalde de snelheid van logische fouten met ongeveer 10 procent per cyclus.

Deze vermindering is significant omdat het bewijst dat het foutcorrectiesysteem waardevolle informatie kan terugwinnen, zelfs wanneer de hardware gebrekkig is. In het experiment zonder de fix veroorzaakte de defecte qubit dat de omliggende controles willekeurig en nutteloos werden, waardoor de computer effectief blind werd voor zijn eigen fouten. Met de nieuwe methode herwon het systeem het vermogen om onderscheid te maken tussen willekeurige ruis en werkelijke fouten. De onderzoekers ontdekten ook dat de methode goed werkte voor verschillende soorten fouten, hoewel het iets effectiever was bij het corrigeren van het ene type fout dan het andere vanwege de specifieke vorm van de chip.

De studie benadrukte ook het belang van het kennen van de huidige staat van de hardware. De onderzoekers merkten op dat de kwaliteit van de qubits in de loop van de tijd kan veranderen naarmate de machine wordt hergekalibreerd. Een qubit die een week defect is, kan de week daarna verbeterd zijn, en het blijven vermijden ervan wanneer het niet langer defect is, zou in feits onnodige complexiteit en nieuwe fouten kunnen introduceren. Dit suggereert dat toekomstige quantumcomputers dynamisch moeten zijn, door voortdurend hun eigen gezondheid te scannen en hun foutcorrectiestrategieën in realtime aan te passen aan de huidige conditie van de machine.

Door aan te tonen dat defecten succesvol beheerd kunnen worden op deze sterk verbonden maar fysiek beperkte chips, hebben de onderzoekers een belangrijke hindernis voor het opschalen van quantumcomputers weggenomen. Hun werk laat zien dat het, zelfs met imperfecte hardware, mogelijk is om betrouwbare logische qubits te bouwen door het meetproces slim te herorganiseren. Deze bevinding brengt het doel van grootschalige, fouttolerante quantumcomputing een stap dichter bij de realiteit, en bewijst dat de weg vooruit niet vereist dat chips perfect zijn, maar eerder slimme manieren om te werken met de imperfecte chips die we hebben.