Een onderzoek onthult de grenzen van de mate waarin kwantumfouten in grote systemen ‘ongedaan kunnen worden gemaakt’

Kwantumcomputers hebben het potentieel om klassieke computers te overtreffen op het gebied van een aantal praktisch relevante informatieverwerkingsproblemen, misschien zelfs op het gebied van machinaal leren en optimalisatie. Het op grote schaal inzetten ervan is echter nog niet mogelijk, vooral omdat ze gevoelig zijn voor ruis, waardoor ze fouten maken.

Er is een technologie ontworpen om deze fouten aan te pakken, bekend als kwantumfoutcorrectie, die is ontworpen om ‘on the fly’ te werken, fouten te monitoren en berekeningen te herstellen wanneer ze zich voordoen. Ondanks de enorme vooruitgang die de afgelopen maanden op dit gebied is geboekt, blijft deze strategie experimenteel een grote uitdaging en gaat deze gepaard met aanzienlijke kosten voor grondstoffen.

Een alternatieve benadering, bekend als kwantumfoutbeperking, werkt op een meer indirecte manier: in plaats van fouten te corrigeren op het moment dat ze zich voordoen, wordt de met fouten geteisterde berekening (of aangepaste versies ervan) uitgevoerd totdat deze voltooid is. Pas uiteindelijk kan men terugkomen om de juiste conclusie te trekken. Deze methode is voorgesteld als een “oplossing” om fouten van kwantumcomputers aan te pakken voordat volledige foutcorrectie kan worden geïmplementeerd.

Onderzoekers van MIT, École Supérieure de Lyon, de Universiteit van Virginia en de Vrije Universiteit van Berlijn hebben echter aangetoond dat technieken voor het beperken van kwantumfouten zeer ineffectief worden naarmate kwantumcomputers steeds groter worden.

Dit betekent dat het beperken van fouten op de lange termijn geen wondermiddel zal zijn voor het eeuwige probleem van ruis in kwantumcomputers. Het is gepubliceerd in NatuurfysicaDit rapport biedt richtlijnen voor regelingen die vrijwel zeker ineffectief zijn voor het verzachten van de negatieve impact van ruis op kwantumberekeningen.

“We dachten erover om op korte termijn grenzen op te leggen aan kwantumcomputers met behulp van luidruchtige kwantumpoorten”, vertelde co-auteur Jens Eisert aan Phys.org.

“Onze teamgenoot Daniel Stelke heeft zojuist Frankrijk bewezen een resultaat Dit was op de korte termijn een sterke beperking voor kwantumcomputing. Hij liet zien dat je voor gepolariseerde ruis op logaritmische diepte een kwantumtoestand kunt bereiken die kan worden vastgelegd met behulp van efficiënte klassieke bemonsteringstechnieken. “We dachten net aan het beperken van kwantumfouten, maar toen dachten we: ‘Wacht, wat betekent dit allemaal voor het beperken van kwantumfouten?’

Het recente artikel van Yihui Kuek, Daniel Stelke-France, Sumeet Khatri, Johannes Jakob Mayer en Jens Eisert bouwt voort op deze onderzoeksvraag, met als doel de precieze grenzen van de beperking van kwantumfouten te verkennen. Hun bevindingen laten zien hoe het beperken van kwantumfouten kan helpen de impact van ruis op kwantumcomputing op korte afstand te verminderen.

“Het mitigeren van kwantumfouten was bedoeld als alternatief voor het corrigeren van kwantumfouten, omdat het minder nauwkeurige engineering vereist om te implementeren, en dus was er hoop dat het binnen bereik zou zijn, zelfs voor experimentele mogelijkheden”, zegt Yihui Kuek, hoofdauteur van het artikel. , vertelde Phys.org actueel”.

“Maar toen we naar deze relatief eenvoudigere mitigatieregelingen keken, begonnen we ons te realiseren dat je misschien niet je taart kunt hebben en opeten – ja, ze vereisen minder qubits en controle, maar dat gaat vaak ten koste van het runnen van de hele systeem met een zorgwekkend groot aantal keren.”

Een voorbeeld van een mitigatieschema waarvan het team ontdekte dat het beperkingen had, is wat bekend staat als ‘extrapolatie zonder fouten’. Dit schema werkt door de hoeveelheid ruis in het systeem geleidelijk te verhogen en vervolgens de meest luidruchtige berekeningsresultaten om te zetten in een ruisvrij scenario.

“Om ruis tegen te gaan, moet je eigenlijk de ruis in je systeem verhogen”, legt Quick uit. “Zelfs intuïtief kan dit duidelijk niet schaalbaar zijn.”

Kwantumcircuits (dat wil zeggen kwantumprocessors) bestaan ​​uit meerdere lagen kwantumpoorten, die elk worden gevoed en voortbewogen door berekeningen die in de vorige laag zijn uitgevoerd. Maar als de poorten veel ruis veroorzaken, wordt elke laag in het circuit een tweesnijdend zwaard: terwijl de poort een berekening vooruit helpt, introduceert de poort zelf extra fouten.

“Dit leidt tot een vreselijke paradox: je hebt veel poortlagen (en dus een diep circuit) nodig om een ​​niet-triviale berekening uit te voeren,” zei Quick.

“Het diepere circuit is echter ook luidruchtiger – en zal waarschijnlijk meer onzin produceren. Er is dus een race tussen de snelheid waarmee je berekeningen kunt uitvoeren en de snelheid waarmee fouten in de berekeningen zich ophopen.”

“Ons werk laat zien dat er zeer complexe circuits zijn waarbij de reactiesnelheid veel hoger is dan aanvankelijk werd gedacht, zo erg zelfs dat je ze een onhaalbaar aantal keren zou moeten laten draaien om deze complexe circuits glad te strijken specifiek algoritme dat u gebruikt.” Om de ernst van de fout te beperken.

Het recente onderzoek van Quick, Eisert en hun collega’s suggereert dat de beperking van kwantumfouten niet zo schaalbaar is als sommigen hadden verwacht. Het team ontdekte zelfs dat naarmate de omvang van kwantumcircuits toeneemt, de inspanning of middelen die nodig zijn om fouten te beperken exponentieel toenemen.

“Zoals bij alle theorieën over afwijzing zien we het liever als een uitnodiging dan als een obstakel”, aldus Eisert.

“Misschien komen we door te werken met geometrisch verbonden lokale componenten tot meer optimistische omgevingen, in welk geval onze grenzen misschien te pessimistisch zijn. Onze studie kan ook worden gezien als een oproep om na te denken over meer samenhangende schema’s om kwantitatieve fouten te beperken.”

De bevindingen van dit onderzoeksteam kunnen als leidraad dienen voor kwantumfysici en ingenieurs over de hele wereld, en hen inspireren om alternatieve en effectievere schema’s te bedenken om kwantumfouten te verminderen. Bovendien kunnen deze resultaten andere onderzoeken inspireren die zich richten op theoretische aspecten van willekeurige kwantumcircuits.

“Eerder schaars werk aan individuele algoritmen voor het beperken van kwantumfouten gaf aan dat deze schema’s niet schaalbaar zouden zijn”, aldus Quick.

“We hebben een raamwerk bedacht dat een grote dwarsdoorsnede van deze individuele algoritmen herbergt. Hierdoor konden we beargumenteren dat deze door anderen waargenomen tekortkoming geworteld is in het idee van de beperking van kwantumfouten zelf – en niets te maken heeft met de gevolgen ervan. specifieke uitvoering.”

“Dit wordt mogelijk gemaakt door de wiskundige machines die we hebben ontwikkeld, die de sterkste tot nu toe bekende resultaten opleveren over hoe snel circuits hun kwantuminformatie verliezen als gevolg van fysieke ruis.”

In de toekomst kan het artikel van Quick, Eisert en hun collega’s onderzoekers helpen bij het identificeren van de soorten kwantumfoutbeperkingsschema’s die het meest waarschijnlijk ineffectief zijn. Het fundamentele conceptuele inzicht van de resultaten van het team is het kristalliseren van de intuïtie dat langeafstandspoorten (d.w.z. poorten met qubits gescheiden door grote afstanden) zowel nuttig als problematisch kunnen zijn, omdat ze gemakkelijk verstrengeling veroorzaken, het computergebruik bevorderen en tegelijkertijd… sneller in het systeem.

“Dit opent natuurlijk de deur voor de vraag of het mogelijk is om kwantumvoordeel te behalen zonder gebruik te maken van deze ‘superverspreiders’ van zowel kwantum als zijn ergste vijanden (dwz lawaai)”, voegde Quick eraan toe. “Het is de moeite waard om op te merken dat niet al onze resultaten stand houden als er midden in de berekening nieuwe hulpqubits worden geïntroduceerd, dus een deel daarvan kan nodig zijn.”

In hun volgende onderzoeken zijn de onderzoekers van plan de focus te verleggen van de problemen die ze hebben geïdentificeerd naar mogelijke oplossingen om deze problemen te overwinnen. Sommige van hun collega’s hebben al enige vooruitgang in deze richting geboekt, met behulp van een combinatie van stochastische metingen en kwantitatieve technieken voor het beperken van fouten.

© 2024 Web van Wetenschap