Physiker gehen Schritt in Richtung fehlertolerantes Quantencomputing

Einige klassische Computer haben eine auf Bits basierende Fehlerkorrektur in ihren Speicher eingebaut; Quantencomputer werden, um in Zukunft funktionsfähig zu sein, auch Fehlerkorrekturmechanismen benötigen, die auf den weitaus empfindlicheren Qubits basieren.

Cornell-Forscher haben kürzlich einen Schritt in Richtung fehlertolerantes Quantencomputing gemacht: Sie konstruierten ein einfaches Modell, das exotische Teilchen namens nicht-Abelsche Anyone enthält, kompakt und praktisch genug, um auf moderner Quantenhardware zu laufen. Die Realisierung dieser Partikel, die nur in zwei Dimensionen existieren können, ist ein Schritt in Richtung Implementierung in der realen Welt.

Dank kreativem Denken konnte Yuri Lensky, ein ehemaliger Postdoktorand des Bethe/Wilkins/Kavli Institute at Cornell (KIC) in Physik am College of Arts and Sciences (A&S), in Zusammenarbeit mit Eun-Ah Kim, Professorin für Physik (A&S) , entwickelte ein einfaches „Rezept“, das für robustes Rechnen mit nicht-Abelschen Anyons verwendet werden konnte, einschließlich spezifischer Anweisungen zum experimentellen Ausführen des Effekts auf heute verfügbaren Geräten.

Ihr Papier „Graph Gauge Theory of Mobile Non-Abelian Anyons in a Qubit Stabilizer Code“, das in Zusammenarbeit mit Theoretikern von Google Quantum AI geschrieben wurde, wurde am 24. März veröffentlicht Annalen der Physik. Google Quantum AI-Forscher haben zusammen mit Lensky und Kim die Theorie mit einem erfolgreichen Experiment bewiesen, wie in einer Vorabveröffentlichung mit dem Titel „Observation of Non-Abelian Exchange Statistics on a Supraconductor Processor“ auf der Forschungsplattform berichtet arXiv.

„Dieser zweidimensionale Zustand ist sowohl aus der Perspektive der Quantenphysik der kondensierten Materie interessant – er hat einige neuartige Eigenschaften, die für die 2D-Physik sehr speziell sind – als auch aus der Perspektive der Quanteninformation“, sagte Lensky. „Es ist etwas wirklich Quantenhaftes, aber es ist auch potenziell nützlich für die Quantenberechnung. Es schützt Bits von Quanteninformationen, indem es sie nicht lokal speichert, und unser Protokoll ermöglicht es uns, mit diesen Bits zu rechnen.“

Kim erklärte das Prinzip, das Nicht-Abelianer animiert, indem er zwei identische Ein-Pfund-Hanteln hinhielt. Wenn sie ihre Arme verschränkt, ändern die identischen Hanteln ihre Position, aber als Objekte, die von der klassischen Physik definiert werden, bleibt ihr Zustand derselbe. Sie sind austauschbar.

Wenn diese Barbells zwei identische Quantenteilchen darstellen, können bemerkenswerterweise in bestimmten 2D-Systemen ihre Spuren durch die Raumzeit eine messbare Aufzeichnung der Veränderung erzeugen (stellen Sie sich die gekreuzten Arme vor). Dieser Austauschprozess wird nach den Formen des Teilchens als Geflecht bezeichnet Wanderwege.

„Quantenmechanisch, wenn Sie ein Teilchen um das andere bewegen“, sagte Kim, hielt ein Gewicht still und bewegte das andere im Kreis darum herum, „kann die Wellenfunktion, die eine Lösung der Schrödinger-Gleichung ist, die die quantenmechanische Bewegung beschreibt mit einem Phasenfaktor multipliziert werden, oder es kann etwas ganz anderes werden.“

Wenn die Wellenfunktion ein globales Vorzeichen erhält, das nur durch Interferometrie, ein Maß für die Interferenz von Wellen, beobachtet werden kann, spricht man von einem abelschen Anyon. Wenn die Wellenfunktion messbar anders wird, ist es ein nicht-Abelsches Anyon, sagte sie.

Nicht-Abelsche Anyonen könnten genutzt werden, um Qubits zu erstellen, die nicht auf einem einzelnen Teilchen definiert sind, sondern auf einem Paar identischer Quantenteilchen: nichtlokal kodiert.

„Wenn ich das zwischen diesen Partikeln geteilte Qubit in einen Nullzustand versetze und sie auseinanderbewege, bleibt der Nullzustand erhalten, was auch immer lokal mit einem dieser Anyons passiert. Das auf Null gesetzte Qubit ist vor Korruption geschützt“, sagte Kim. „Nicht-Abelsche Anyons könnten in einer Plattform für geschützte Qubits verwendet werden.“

Aber während Physiker jahrelang über diese exotischen Teilchen theoretisiert haben – Alexei Kitaev schlug vor, mit geschützten Bits des Quantenspeichers zu arbeiten, indem er um das Jahr 2001 herum nicht-Abelsche Anyonen verflochten hat, sagte Lensky –, wurden sie noch nie zuvor in einem physikalischen System beobachtet.

Als Google Quantum AI die Fähigkeiten der Quantenprozessorplattform entwickelte, um den Oberflächencode und das Flechten von abelschen Anyonen in einem physischen System zu realisieren, sagte Lensky: „Das war [our] Inspiration, nach einem Weg zu suchen, die Physik von nicht-Abelschen Anyonen so schnell wie möglich zu realisieren.“

„Wir wussten, dass sie die funktionierenden Zutaten hatten, aber sie hatten kein Rezept“, sagte Kim. „Wir haben herausgefunden, wie wir diese nicht-Abelschen Anyons bewegen können, und dann haben wir den Experimentatoren gesagt, was zu tun ist. Es war möglich, weil Yuri und ich flexibel, kreativ und aufgeschlossen dachten.“

Frühere theoretische Forschung identifizierte nicht-Abelsche Eigenschaften, kam aber zu kurz, wie man sie bewegt, ein notwendiger Schritt. Eine wichtige Erkenntnis von Lensky und Kim bestand darin, die Regelmäßigkeit eines Gitters aufzugeben und Qubits auf eine fast handgezeichnete Weise anzuordnen, die jedoch durch robuste Mathematik gestützt wurde.

„Nach dieser einfachen geometrischen Einsicht konnten wir mithilfe der Eichtheorie das Protokoll entwickeln, um dieses Bild aufzunehmen und es auf robuste und effiziente Weise auf einem Chip zu implementieren“, sagte Kim. „Mit diesem 10-Qubit-System waren wir in der Lage, mehrere nicht-Abelsche Anyons und damit mehrere logische informationstragende Qubits zu codieren, und ein genaues Rezept dafür, was die Experimentatoren bei jedem Schritt des Weges tun müssen.“

„Obwohl der Fokus der Theorie und des Experiments einfach darauf liegt, nicht-Abelsche Anyons in der realen Welt zu realisieren, kann dies auch als ein erster kleiner Schritt zur Implementierung von Berechnungen durch Flechten angesehen werden“, sagte Lensky.