Världsunik simuleringsmetod öppnar för feltoleranta kvantdatorer

Bild 1 av 1
Kvantsimulering
Kvantdatorn till vänster i bilden kan utföra komplexa beräkningar tack vare sin förmåga att representera ett enormt antal olika tillstånd samtidigt i en så kallad kvantsuperposition. Att kunna beskriva den här typen av superposition av tillstånd är viktigt – men väldigt svårt. Nu har ett forskarlag hittat en relativt enkel metod för att simulera några relevanta kvantsuperpositioner av tillstånd. Illustrationen visar en av dessa superpositioner som kan skapas inuti en så kallad kontinuerligt variabel kvantdator. Forskarna kunde observera hur dessa tillstånd förändras när de interagerar med varandra, och de kunde också simulera dessa förändringar med hjälp av vågliknande mönster – som de du ser på bilden. Foto: Johan Bodell Illustration: Cameron Calcluth

Kvantdatorernas inträde i samhället hindras än så länge av deras begränsade förmåga att kunna rätta fel som uppstår i deras beräkningar. I utvecklingen av pålitliga kvantdatorer behöver forskarna därför kunna simulera kvantberäkningar på vanliga datorer för att se att de verkligen räknar rätt – en viktig men oerhört svår uppgift. Nu är forskare från Chalmers, University of Milan, University of Granada och University of Tokyo först i världen med att presentera en metod för att simulera en slags felkorrigerade kvantberäkningar – ett viktigt steg i utvecklingen av robusta kvantdatorer.

Kvantdatorer har potential att lösa oerhört komplexa problem som inga superdatorer idag klarar av. Inom en överskådlig framtid förväntas kvantteknologins beräkningskraft därför kunna revolutionera grundläggande teknologier inom medicin, energi, kryptering, AI och logistik.

Men innan kvantteknologin kan komma samhället till gagn behöver kvantdatorerna kunna korrigera beräkningsfel som uppstår. Den här typen av fel uppstår också hos vanliga datorer men till följd av väletablerade felkorrigeringstekniker kan de snabbt rättas till innan de hinner ställa till problem. Hos kvantdatorer däremot uppstår fel oftare och att upptäcka och korrigera dem är också betydligt svårare. Även om det görs stora framsteg på området, är kvantdatorer än så länge inte feltoleranta – och därför ännu inte heller helt pålitliga.

För att kunna avgöra om en kvantberäkning stämmer eller inte, simulerar – eller efterliknar - forskarna beräkningarna med hjälp av vanliga datorer. En typ av kvantberäkning som forskare på området därför är särskilt intresserade att lära sig simulera är sådana som är motståndskraftiga mot störningar och bra på att korrigera fel som uppstår i kvantdatorn. Men till följd av kvantberäkningarnas oerhört komplexa natur är den här typen av simuleringar ofta krävande – i vissa fall så pass krävande att det skulle universums ålder i tid för världens bästa superdatorer att reproducera resultaten.

Cameron Calcluth

Nu är forskare från Chalmers, University of Milan, University of Granada och University of Tokyo först i världen med att presentera en metod för att simulera vissa typer av kvantberäkningar som är speciellt lämpliga för felkorrigering men som hittills har varit väldigt svåra att simulera. Metoden löser en stor utmaning som har gäckat kvantforskare under flera år.

– Vi har hittat ett sätt att simulera en särskild typ av kvantberäkning som det tidigare inte har funnits en effektiv metod för. Det betyder att vi nu har möjlighet att simulera kvantberäkningar med en felkorrigeringskod, vilket är helt avgörande för att vi ska kunna bygga bättre och mer robusta kvantdatorer framöver, säger Cameron Calcluth, doktor i tillämpad kvantfysik på Chalmers och förste författare till en studie publicerad i Physical Review Letters.  

Felkorrigerade kvantberäkningar är krävande men avgörande

Kvantdatorns bristande förmåga att korrigera fel stammar från dess byggstenar, kvantbitar, som har en enorm beräkningskraft, men samtidigt är oerhört känsliga. Beräkningskraften kan härledas till det kvantmekaniska fenomenet superposition, det vill säga kvantbitarnas förmåga att ha värdet 1 och 0 samtidigt och alla tillstånd däremellan, i vilken kombination som helst. Beräkningskraften ökar exponentiellt för varje kvantbit, men baksidan på myntet är att de blir extremt känsliga för störningar.

– Minsta brus från omgivningen, i form av vibrationer, elektromagnetiska strålning eller förändring i temperatur, kan få kvantbitarna att räkna fel eller till och med att förlora sitt kvanttillstånd - och därmed också förmågan att fortsätta räkna, säger Cameron Calcluth.

För att hantera problemet används felkorrigeringskoder som sprider information över flera delsystem, vilket gör det möjligt att upptäcka och korrigera fel utan att förstöra kvantinformationen. Ett sätt är att koda kvantinformationen i en kvantbit till de flera energinivåerna i ett vibrerande kvantmekaniskt system, känt som en bosonisk kod. Att simulera kvantberäkningar med bosoniska koder är dock extra krävande på grund av de många energinivåerna, och forskare har inte kunnat simulera dem på ett tillförlitligt sätt – förrän nu.

Nytt matematiskt verktyg nyckel i forskarnas lösning

Forskarnas lösning består av en algoritm som kan simulera kvantberäkningar som använder en slags bosonisk kod som kallas Gottesman-Kitaev-Preskill-koden, ofta benämnd som GKP-koden. Koden är vanlig i ledande implementeringar av kvantdatorer.

Giulia Ferrini

– Sättet den lagrar kvantinformation på gör det enklare för kvantdatorer att korrigera fel, vilket i sin tur gör de extra motståndskraftiga mot brus och störningar. På grund av sin djupt kvantmekaniska natur har GKP-koder varit extremt svåra att simulera med hjälp av klassiska datorer, men nu har vi äntligen hittat ett unikt sätt att göra det här på som också är mycket mer effektivt, säger Giulia Ferrini, docent i tillämpad kvantfysik på Chalmers och huvudförfattare i studien.  

Forskarna lyckades använda koden i sin algoritm genom att skapa ett nytt matematiskt verktyg. Metoden gör det nu möjligt för forskare att på ett mer tillförlitligt sätt testa och validera kvantdatorers beräkningar. 
– Det här öppnar upp helt nya dörrar när det handlar om att simulera kvantberäkningar som vi inte har kunnat testa tidigare, men som är helt avgörande för att kunna bygga stabila och skalbara kvantdatorer, säger Giulia Ferrini.   

Läs forskarnas vetenskapliga artikel Classical simulation of circuits with realistic odd-dimensional Gottesman-Kitaev-Preskill states här. 

Cameron Calcluth
  • Doktor, Tillämpad kvantfysik, Mikroteknologi och nanovetenskap
Giulia Ferrini
  • Enhetschef, Mikroteknologi och nanovetenskap

Skribent

Lovisa Håkansson