Google-onderzoekers hebben met succes geteste foutcorrectiemethoden met de Sycamore-processor van het bedrijf.
Google-onderzoekers hebben aangetoond dat, onder bepaalde voorwaarden, foutcorrectie werkt op de Sycamore-quantumprocessor van het bedrijf en zelfs exponentieel kan schalen, in wat is de zoveelste stap in de richting van het bouwen van een fouttolerante kwantumcomputer.
De doorbraak zal waarschijnlijk de aandacht trekken van wetenschappers die werken aan kwantumfoutcorrectie, een veld dat zich niet bezighoudt met het aantal qubits, maar eerder met de kwaliteit van het qubit.
Hoewel het verhogen van het aantal qubits dat door kwantumcomputers wordt ondersteund vaak wordt gezien als de belangrijkste factor bij het ontsluiten van de ongekende rekenkracht van kwantumtechnologieën, is het even belangrijk ervoor te zorgen dat die qubits zich gedragen op een manier die betrouwbare , foutloze resultaten.
Dit is het idee dat ten grondslag ligt aan het concept van een fouttolerante kwantumcomputer, maar kwantumfoutcorrectie bevindt zich nog in een zeer vroeg stadium. Voorlopig worstelen wetenschappers nog steeds met het controleren en manipuleren van de weinige qubits waarmee ze te maken hebben, vanwege de extreem onstabiele aard van de deeltjes, wat betekent dat kwantumberekeningen nog steeds vol fouten zitten.
Volgens Google zouden de meeste toepassingen een foutpercentage van slechts 10^-15 nodig hebben; ter vergelijking: state-of-the-art kwantumplatforms hebben momenteel gemiddelde foutenpercentages die dichter bij 10^-3 liggen.
Een oplossing bestaat uit het verbeteren van de fysieke stabiliteit van qubits, maar wetenschappers geven steeds vaker prioriteit aan een alternatieve workaround, waarbij fouten direct binnen de kwantumprocessor kunnen worden gedetecteerd en gecorrigeerd.
Meestal wordt dit gedaan door kwantumgegevens over veel verschillende qubits te distribueren en extra qubits te gebruiken om die informatie bij te houden, waarbij fouten worden geïdentificeerd en gecorrigeerd. De totale, voor fouten gecorrigeerde groep qubits vormt een enkele cluster die bekend staat als een “logische qubit”.
Deze benadering wordt de stabilisatorcode genoemd en verweeft in wezen data-qubits met meet-qubits die ongewenste verstoringen van de data-qubit-statussen kunnen veranderen in fouten, die vervolgens kunnen worden gecompenseerd dankzij specifieke software.
Hoewel de principes van stabilisatorcodes theoretisch zijn toegepast op verschillende platforms, zei Google, is niet bewezen dat de methode schaalbaar is in grote systemen, en het is ook niet aangetoond dat het bestand is tegen verschillende rondes van foutcorrectie.
De onderzoekers van de reclamegigant wilden stabilisatorcodes testen met de Sycamore-quantumprocessor van het bedrijf, te beginnen met een logisch qubit-cluster dat bestaat uit vijf qubits die in een eendimensionale keten zijn verbonden. De qubits wisselden af tussen het dienen als data-qubits en meet-qubits die waren belast met het detecteren van fouten.
Door de grootte van het cluster te vergroten, vonden de onderzoekers, nam de fout exponentieel af. Het team testte de methode met logische qubits van verschillende groottes en bereikte een maximale cluster van 21 qubits, wat de logische fout meer dan 100 keer verminderde in vergelijking met clusters die uit slechts vijf qubits bestonden. Met andere woorden, hoe groter de logische qubit, hoe beter fouten kunnen worden gecorrigeerd.
Dit is belangrijk omdat van praktische kwantumcomputers wordt verwacht dat ze voor elke logische qubit ten minste 1.000 foutcorrectie-qubits nodig hebben. Bewijzen dat foutcorrectiemethoden kunnen schalen, is daarom van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van een bruikbare kwantumcomputer.
Google ontdekte ook dat het foutonderdrukkingspercentage stabiel bleef, zelfs na 50 ronden van foutcorrectie – een “sleutelbevinding” voor de haalbaarheid van kwantumfoutcorrectie, aldus het bedrijf.
Natuurlijk zijn er nog steeds enorme beperkingen aan het experiment. De huidige kwantumcomputers kunnen minder dan 100 qubits ondersteunen – Sycamore heeft bijvoorbeeld 54 qubits – wat betekent dat het onmogelijk is om de methode te testen met de 1.000 qubits die nodig zijn voor praktische toepassingen.
En zelfs als 21 qubits voldoende zouden zijn om een bruikbare logische qubit te maken, zou de processor van Google maar twee van die logische qubits kunnen ondersteunen, wat nog lang niet genoeg is om in echte toepassingen te gebruiken. De resultaten van Google blijven daarom voorlopig een proof-of-concept.
Bovendien benadrukten de wetenschappers dat de inherent hoge foutenpercentages van qubits waarschijnlijk problematisch zullen worden. In de experimenten van het team werd bij 11% van de controles uiteindelijk een fout gedetecteerd, wat betekent dat foutcorrectietechnologieën ongelooflijk efficiënt moeten zijn om elke verstoring op te vangen en te corrigeren in apparaten die duizenden keren meer qubits hebben.
“Deze experimentele demonstraties vormen de basis voor het bouwen van een schaalbare fouttolerante kwantumcomputer met supergeleidende qubits”, aldus de onderzoekers. “Niettemin blijven er veel uitdagingen op het pad naar schaalbare kwantumfoutcorrectie.”
Het blijft dat de bevindingen van Google de deur hebben geopend voor meer onderzoek en experimenten in een veld dat steeds drukker wordt.
Eerder dit jaar heeft Amazon's clouddochter AWS bijvoorbeeld haar eerste onderzoekspaper uitgebracht waarin een nieuwe architectuur voor een kwantumcomputer wordt beschreven, met als doel een nieuwe standaard te zetten voor foutcorrectie.
De methode van AWS is gebaseerd op een vergelijkbare benadering als die van Google, maar is gekoppeld aan een processorontwerp dat het potentieel van qubits om toestanden om te draaien zou kunnen verminderen, in wat werd voorgesteld als een blauwdruk voor een nauwkeurigere kwantumcomputer.
Verwante onderwerpen:
Google 