Dynamische Decoupling: Doorbraak Om Quantum Computer Prestaties Te Verbeteren

• Onderzoekers ontwerpen een theoretische methode om quantum computing prestaties te verbeteren.
• De methode heet Dynamical Decoupling en werkte op 2 kleine-schaal quantum computers.
• Het vereist geen encoding overhead en werkt door quantum gates te transformeren in decoupling pulsen.

Het concept van quantum computing werd in de vroege jaren '80 geïntroduceerd. Het idee is om quantum bits (qubits die in superposities van toestanden kunnen zijn) te gebruiken in plaats van binaire bits om berekeningen veilig en op extreem hoge snelheid uit te voeren.

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

Quantum computers worden verwacht verschillende miljoen keer sneller te zijn dan de huidige supercomputers, en ze hebben het potentieel om financiën, defensie, informatietechnologie en geneesmiddelenindustrie te revolutioneren. Ze gebruiken het gedrag van atomen om ongelooflijk complexe taken op extreem hoge snelheden uit te voeren.

Ze hebben echter wel beperkingen. Ze zijn zeer foutgevoelig en vereisen stabiliteit om operaties te handhaven. Meestal functioneren ze niet goed en produceren slechte resultaten. Onderzoekers over de hele wereld zijn er nog steeds niet in geslaagd een quantum machine te bereiken die een traditionele computer in een willekeurige taak overtreft.

Het hoofdprobleem met huidige quantum computers is 'ruis' – storing veroorzaakt door trilling, temperatuur en geluid. Het genereert decoherentie, wat qubits onstabiel kan maken door de duur van een quantum toestand te verstoren. Dit vermindert de tijd die een quantum machine nauwkeurig een taak kan uitvoeren (zonder fouten).

Een quantum machine met te veel decoherentie heeft geen nut. Als u dit probleem kunt oplossen, kunt u het punt bereiken waar quantum computing praktisch en productiever wordt dan conventionele computers.

Onlangs onthulden onderzoekers van de University of Southern California een theoretische methode om quantum computing prestaties te verbeteren. Het adresseert een zwakke plek van huidige quantum computers door foutieve berekeningen te minimaliseren terwijl de fideliteit van uitkomsten wordt vergroot. De methode heet Dynamical Decoupling (DD) en werkte op 2 quantum computers.

DD is ontwikkeld om decoherentie te onderdrukken door de toepassing van pulsen op het systeem, die de interactie tussen systeem en omgeving annuleren tot een gegeven orde in tijdsafhankelijke perturbatietheorie. Over het algemeen vereist het geen encoding overhead en werkt het door quantum gates te transformeren in decoupling pulsen.

Referentie: Physical Review Letters | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

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

Dynamische Decoupling Toepassen In Hedendaagse Quantum Machines

Onderzoekers testten DD op 2 quantum computers — IBM's 16-qubit QX5 en Rigetti's 19-qubit Acorn — en ontdekten dat het eenvoudiger en betrouwbaarder is dan andere methodes. Het is geschikt voor implementatie in bestaande kleine-schaal cloud-gebaseerde quantum computers.

De 8-qubit quantum processor | Afbeelding credit: Rigetti Computing

De methode kan verstrengelde twee-qubit toestanden tot een bepaalde mate beschermen. Verschillende reeksen van dynamische decoupling kunnen zowel defasing als spontane emissiefouten mitigeren. In tegenstelling tot eerdere studies, gebruikten ze geen quantum error correcting code en bereikten ze uitzonderlijke verbeteringen in fideliteit tegen natuurlijke decoherentie.

De finale fideliteit voor IBM's QX5 steeg van 28,9% naar 88,4%, terwijl voor Rigetti's Acorn het verbeterde van 59,8% naar 77,1%. De onderzoekers ontdekten ook dat meer pulsen altijd fideliteitsverbeteringen in stand hielden voor langere duur in de Rigetti quantum computer, terwijl voor de IBM-computer er een limiet was van ongeveer 100 pulsen.

Lees ook: 18 Meest Interessante Feiten Over Quantum Computers

Over het algemeen toont de studie dat het dynamische decoupling mechanisme veel beter werkt dan bestaande quantum error correctie technieken.