Google använder “magi” för att minska fel i kvantberäkningar

Forskare på Google har demonstrerat ett nytt sätt att minska fel i kvantberäkningar, vilket för företaget närmare målet att bygga maskiner som kan lösa praktiska problem. Tekniken, som kallas ”kultivering av magiska tillstånd”, testades på företagets kvantprocessor Willow och minskade felen vid tillståndspreparering med ungefär en faktor 40 samt producerade kvanttillstånd med 99,99 % logisk fidelitet.

Termen ”magiska tillstånd” är ett etablerat begrepp inom kvantberäkning, inte en hänvisning till något övernaturligt. Dessa tillstånd gör det möjligt för kvantdatorer att utföra vissa operationer som behövs för universell kvantberäkning, däribland sådana som implementeras med T-grindar. Eftersom magiska tillstånd förbrukas under beräkningar och inte kan återanvändas är det en betydande teknisk utmaning att producera dem tillförlitligt i stor skala.

Befintliga metoder för att producera magiska tillstånd använder en process som kallas destillering av magiska tillstånd, där flera ofullkomliga tillstånd kombineras för att producera ett mindre antal mer tillförlitliga tillstånd. Enligt Google kan denna process förbruka en betydande del av en kvantdators resurser, vilket lämnar mindre kapacitet för själva beräkningarna.

Googles kultiveringsmetod bygger på ett annat angreppssätt. I stället för att bearbeta stora grupper av ofullkomliga tillstånd preparerar systemet enskilda tillstånd och kontrollerar dem upprepade gånger med mätningar utformade för att upptäcka fel utan att förstöra de tillstånd som undersöks. Försök som inte klarar kontrollerna förkastas, så att endast de mest tillförlitliga resultaten återstår.

På processorn Googles Willow minskade tekniken felen vid tillståndspreparering med ungefär en faktor 40 jämfört med tillstånd som preparerats utan kultivering. De resulterande tillstånden uppnådde en logisk fidelitet på 99,99 %, vilket tyder på en mycket låg felfrekvens. Denna noggrannhet hade dock ett pris: i de mest stringenta experimentomgångarna förkastades omkring 92 % av försöken, vilket innebar att endast 8 % återstod att använda.

Att mäta så små fel var också en utmaning. Teamet utvecklade en teknik som kallas kickback-tomografi efter att ha upptäckt att temperaturvariationer och brus från elektrisk utrustning förvrängde deras inledande mätningar. Forskarna visade sedan att kultiverade tillstånd kunde överföras till en större kvantfelkorrigeringskod, även om överföringen medförde ytterligare fel.

Experimentet resulterar inte i en komplett feltolerant kvantdator. I stället angriper det en specifik teknisk flaskhals: att producera de högkvalitativa tillstånd som behövs för användbara beräkningar utan att ägna alltför stora hårdvaruresurser åt prepareringen av dem.