Een nieuwe methode om de prestaties van quantumcomputers te verbeteren

• Onderzoekers ontwerpen een theoretische methode om de prestaties van kwantumcomputers te verbeteren.
• De methode staat bekend als dynamische ontkoppeling en werkte op 2 kleinschalige kwantumcomputers.
• Het vereist geen coderingsoverhead en werkt door kwantumpoorten om te zetten in ontkoppelingspulsen.

Het concept van quantum computing werd begin jaren tachtig geïntroduceerd. Het idee is om kwantumbits (qubits die zich in superposities van toestanden kunnen bevinden) te gebruiken in plaats van binaire bits om berekeningen veilig en met extreem hoge snelheid uit te voeren.

Drie decennia later staat het vakgebied van quantum computing nog in de kinderschoenen. Hoewel er honderden tests zijn uitgevoerd waarbij kwantumberekeningen zijn uitgevoerd op een klein aantal qubits.

Quantumcomputers zullen naar verwachting enkele miljoenen keren sneller zijn dan de huidige supercomputers, en ze hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de financiële, defensie-, informatietechnologie- en geneeskunde-industrie. Ze gebruiken het gedrag van atomen om ongelooflijk complexe taken met extreem hoge snelheden uit te voeren.

Ze hebben echter enkele beperkingen. Ze zijn zeer gevoelig voor fouten en vereisen stabiliteit om operaties te ondersteunen. Meestal werken ze niet goed en produceren ze slechte resultaten. Onderzoekers over de hele wereld zijn er nog steeds niet in geslaagd om een ​​kwantummachine te ontwikkelen die bij elke taak beter presteert dan een traditionele computer.

Het grootste probleem met de huidige kwantumcomputers is ‘ruis’ – verstoring veroorzaakt door trillingen, temperatuur en geluid. Het genereert decoherentie, wat qubits onstabiel kan maken door de duur van een kwantumtoestand te verstoren. Dit verkort de tijd dat een kwantummachine een taak nauwkeurig kan uitvoeren (zonder fouten).

Een kwantummachine met te veel decoherentie heeft geen zin. Als je dit probleem kunt oplossen, kun je het punt bereiken waarop quantum computing praktisch en productiever wordt dan conventionele computers.

Onlangs hebben onderzoekers van de University of Southern California een theoretische methode onthuld om de prestaties van kwantumcomputers te verbeteren. Het lost een zwakte van de huidige kwantumcomputers op door foutieve berekeningen te minimaliseren en de betrouwbaarheid van de resultaten te vergroten. De methode staat bekend als Dynamische Ontkoppeling (DD) en werkte op 2 kwantumcomputers.

DD is ontwikkeld om decoherentie te onderdrukken door de toepassing van pulsen die op het systeem worden toegepast, die de interactie tussen systeem en omgeving tot een bepaalde volgorde in de tijdsafhankelijke verstoringstheorie annuleren. Over het algemeen vereist het geen coderingsoverhead en werkt het door kwantumpoorten om te zetten in ontkoppelingspuls.

Referentie:fysieke beoordelingsbrieven | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

De tijdreeksen voor deze tests waren erg klein:binnen 0,6 microseconde werden 200 pulsen geregistreerd.

Dynamische ontkoppeling toepassen in de huidige kwantummachine

Onderzoekers hebben DD getest op 2 kwantumcomputers - IBM's 16-qubit QX5 en Rigetti's 19-qubit Acorn - en ze ontdekten dat het gemakkelijker en betrouwbaarder is dan andere methoden. Het is geschikt voor implementatie in bestaande kleinschalige cloudgebaseerde kwantumcomputers.

De 8-qubit kwantumprocessor | Afbeelding tegoed:Rigetti Computing

De methode kan tot op zekere hoogte verstrengelde toestanden van twee qubits beschermen. Verschillende sequenties van dynamische ontkoppeling kunnen zowel defasering als spontane emissiefouten verminderen. In tegenstelling tot eerdere onderzoeken, gebruikten ze geen kwantumfoutcorrigerende code en bereikten ze dus uitzonderlijke verbeteringen in getrouwheid tegen natuurlijke decoherentie.

De uiteindelijke betrouwbaarheid voor de QX5 van IBM steeg van 28,9% naar 88,4%, terwijl die voor Rigetti's Acron verbeterde van 59,8% naar 77,1%. De onderzoekers ontdekten ook dat meer pluspunten er altijd voor zorgen dat getrouwheidsverbeteringen langer aanhouden in de Rigetti-kwantumcomputer, terwijl er voor de IBM-computer een limiet was van ongeveer 100 pulsen.

Lees:18 meest interessante feiten over kwantumcomputers 

Over het algemeen laat het onderzoek zien dat het dynamische ontkoppelingsmechanisme veel beter werkt dan bestaande technieken voor kwantumfoutcorrectie.