Fensterglas weist auf mikroskopischer Ebene eine seltsame Mischung von Eigenschaften auf. Wie bei einer Flüssigkeit sind die Atome ungeordnet, aber wie bei einem Festkörper sind die Atome starr, sodass eine auf ein Atom ausgeübte Kraft alle in Bewegung versetzt.
Mit dieser Analogie beschreiben Physiker einen Quantenzustand namens „Quantenspinglas“, in dem quantenmechanische Bits (Qubits) in einem Quantencomputer sowohl Unordnung (sie nehmen scheinbar zufällige Werte an) als auch Starrheit (wenn ein Qubit umkippt) aufweisen mache alle anderen). Ein Team von Cornell-Forschern entdeckte unerwartet das Vorhandensein dieses Quantenzustands, als es ein Forschungsprojekt durchführte, das darauf abzielte, mehr über Quantenalgorithmen und damit verbunden neue Strategien zur Fehlerkorrektur im Quantencomputing zu erfahren.
„Die Messung der Position eines Quantenteilchens verändert seinen Impuls und umgekehrt. Ebenso gibt es bei Qubits Größen, die sich gegenseitig verändern, wenn sie gemessen werden. Wir stellen fest, dass bestimmte zufällige Folgen dieser inkompatiblen Messungen zur Bildung eines Quantenspins führen. Glas“, sagte Erich Mueller, Professor für Physik am College of Arts and Sciences (A&S). „Eine Implikation unserer Arbeit ist, dass einige Arten von Informationen automatisch in Quantenalgorithmen geschützt werden, die die Merkmale unseres Modells teilen.“
„Subsystemsymmetrie, Spin-Glass-Ordnung und Kritikalität aus Zufallsmessungen in einem zweidimensionalen Bacon-Shor-Schaltkreis“ veröffentlicht am 31. Juli in Körperliche Untersuchung B. Der Hauptautor ist Vaibhav Sharma, ein Doktorand der Physik.
Der Assistenzprofessor für Physik Chao-Ming Jian (A&S) ist zusammen mit Mueller Co-Autor. Alle drei forschen am Cornell’s Laboratory of Atomic and Solid State Physics (LASSP).
„Wir versuchen, allgemeine Merkmale von Quantenalgorithmen zu verstehen – Merkmale, die über jeden einzelnen Algorithmus hinausgehen“, sagte Sharma. „Unsere Strategie zum Aufdecken dieser universellen Merkmale bestand darin, Zufallsalgorithmen zu untersuchen. Wir haben entdeckt, dass bestimmte Klassen von Algorithmen zu einer verborgenen „Spin-Glass“-Ordnung führen. Wir suchen jetzt nach anderen Formen verborgener Ordnung und glauben, dass uns dies zu einer … neue Taxonomie der Quantenzustände.“
Zufällige Algorithmen sind solche, die ein gewisses Maß an Zufälligkeit als Teil des Algorithmus beinhalten – z. B. Zufallszahlen, um zu entscheiden, was als nächstes zu tun ist.
Muellers Vorschlag für den New Frontier Grant 2021 „Autonomous Quantum Subsystem Error Correction“ zielte darauf ab, Quantencomputerarchitekturen durch die Entwicklung einer neuen Strategie zur Korrektur von Quantenprozessorfehlern zu vereinfachen, die durch Umgebungsrauschen – also jeden Faktor wie kosmische Strahlung oder Magnetfelder – verursacht werden , das die Qubits eines Quantencomputers stören und Informationen verfälschen würde.
Die Bits klassischer Computersysteme seien durch fehlerkorrigierende Codes geschützt, sagte Mueller; Die Informationen werden repliziert, sodass Sie das „Umdrehen“ eines Bits erkennen und den Fehler beheben können. „Damit Quantencomputing jetzt und in Zukunft funktionsfähig ist, müssen wir Wege finden, Qubits auf die gleiche Weise zu schützen.“
„Der Schlüssel zur Fehlerkorrektur ist Redundanz“, sagte Müller. „Wenn ich drei Kopien eines Bits verschicke, kann man erkennen, ob ein Fehler vorliegt, indem man die Bits miteinander vergleicht. Wir leihen uns eine Sprache aus der Kryptographie, um über solche Strategien zu sprechen, und bezeichnen den wiederholten Satz von Bits als ‚Codewort‘.“ “
Als sie die Spin-Glass-Ordnung entdeckten, untersuchten Mueller und sein Team eine Verallgemeinerung, bei der mehrere Codewörter verwendet werden, um dieselben Informationen darzustellen. Beispielsweise kann in einem Subsystemcode das Bit „1“ auf vier verschiedene Arten gespeichert werden: 111; 100; 101; und 001.
„Die zusätzliche Freiheit, die man in Quanten-Subsystem-Codes hat, vereinfacht den Prozess der Fehlererkennung und -korrektur“, sagte Mueller.
Die Forscher betonten, dass sie zu Beginn dieser Forschung nicht nur versuchten, ein besseres Fehlerschutzschema zu entwickeln. Vielmehr untersuchten sie Zufallsalgorithmen, um allgemeine Eigenschaften aller dieser Algorithmen zu erfahren.
„Interessanterweise haben wir eine nichttriviale Struktur gefunden“, sagte Mueller. „Am dramatischsten war die Existenz dieser Spin-Glass-Ordnung, die darauf hindeutet, dass einige zusätzliche versteckte Informationen im Umlauf sind, die auf irgendeine Weise für Berechnungen genutzt werden könnten, obwohl wir noch nicht wissen, wie.“
Mehr Informationen:
Vaibhav Sharma et al., Subsystemsymmetrie, Spin-Glass-Ordnung und Kritikalität aus Zufallsmessungen in einer zweidimensionalen Bacon-Shor-Schaltung, Körperliche Untersuchung B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.108.024205