Optische Demonstration der quantenfehlertoleranten Schwelle

Der Umgang mit experimentellen Fehlern, die bei jedem Schritt von Quantenschaltkreisen auftreten können, ist von großer Bedeutung, insbesondere bei der Implementierung von Quantencomputing. Im Allgemeinen erfordert die Quantenfehlerkorrektur mehr Qubits, um die Korrekturoperation durchzuführen.

Die fehlertolerante Methode, bei der logische Qubits mit mehreren physischen Qubits codiert werden und der Fehler im physischen Raum zulässig ist und nicht korrigiert werden soll, bietet jedoch eine andere Möglichkeit, den Fehler zu behandeln, indem das Qubit mit Fehlern aus dem Qubit ausgeschlossen wird verschlüsselter Raum.

Genauer gesagt könnten bei gleicher Hardware logische Qubits in der fehlertoleranten codierten Schaltung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit ausgegeben werden als in der nicht codierten Schaltung, wenn die Fehlerrate unterhalb der Schwelle liegt. Noch wichtiger ist, dass die fehlertolerante Schaltung in einem kleinen System aus mehreren Qubits verifiziert werden konnte. Und der Schwellenwert – ein expliziter Beweis für den Erfolg des fehlertoleranten Verfahrens – könnte bestimmt werden, wenn die Ausgabewahrscheinlichkeiten von codierten Schaltungen und nicht codierten Schaltungen verglichen werden.

In einem neuen Artikel, erschienen in Lichtwissenschaft & Anwendungein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Chuan-Feng Li vom CAS Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China, hat die räumlichen Moden zweier verschränkter Photonen genutzt, um eine experimentelle Plattform zu konstruieren, und die Fehler direkt beobachtet. Toleranzschwelle für die untersuchten Quantenschaltkreise.

Mit den physikalischen Qubits, die durch übereinstimmende Zählungen der räumlichen Moden jedes Photons dargestellt werden, werden zwei logische Qubits kodiert und durch die entsprechenden Operationen an den physikalischen Qubits manipuliert. Durch künstliches Importieren der Fehlerrate mit extrem hoher Genauigkeit konnten wir den Bereich der Fehlerrate scannen, der den Schwellenwert abdeckt. Wenn die Erfolgswahrscheinlichkeit der codierten Schaltung höher ist als die der nicht codierten Schaltung, können wir den genauen Wert des Schwellenwerts bestätigen, der durch die starken Ergebnisse gestützt wird, einschließlich der Einzel-Qubit- und Zwei-Qubit-Operationen in der logischen Platz.

Neben der Erleichterung der Untersuchung fehlertoleranter Quantencomputer in skalierbaren Systemen ist diese Arbeit hilfreich für andere Quanteninformationsaufgaben, wie Verschränkungsreinigung und Quantenkommunikation über große Entfernungen.

Durch Beobachtung der Fehlerratenschwelle konnten wir den detaillierten Rahmen von fehlertoleranten Protokollen verstehen und den Erfolg von fehlertoleranten Protokollen beurteilen. Die Wissenschaftler fassen die Leistung der optischen Plattform zusammen:

„Wir konstruieren den Aufbau basierend auf den räumlichen Moden von zwei Photonen, was die folgenden Vorteile aufweist: (1) hochgenauer Betrieb, der die strenge Anforderung an fehlertolerante Schaltungen ist; (2) einfacher Import des künstlichen Fehlers und Anpassung seiner Rate ; (3) das direkte Muster jedes Schritts im fehlertoleranten Prozess darstellen; und (4) die fehlertolerante codierte Schaltung und die nicht codierte Schaltung einfach zu implementieren.

„Neben dem in dieser Arbeit betrachteten Fehlertyp könnten basierend auf dieser experimentellen Plattform weitere Fehlermodelle in einem universellen fehlertoleranten Protokoll untersucht werden. Zum Beispiel durch die Erweiterung der experimentellen Plattform basierend auf dem optischen räumlichen Modus von einem Einzelphotonen-Framework auf zwei -enangled-photon framework in dieser Arbeit könnte der nichtlokale Fehlereffekt in der fehlertoleranten Quantenberechnung weiter untersucht werden“, sagen die Wissenschaftler.