AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Google laat computer kwantumfouten na de meting opruimen
Onderzoekers van Google Quantum AI hebben een methode ontwikkeld die restfouten in kwantumberekeningen pas ná de meting wegpoetst, met een gewone computer. In simulaties verkleinde de techniek de resterende afwijking meer dan duizendvoudig, zonder dat er extra kalibratie-experimenten nodig waren.
Een qubit, de basiseenheid van een kwantumcomputer, is extreem gevoelig voor storingen. Daarom bundelen ingenieurs meerdere fysieke qubits tot een beschermde logische qubit. Een systeem van kwantumfoutcorrectie controleert voortdurend of er iets misgaat en probeert fouten te herstellen. Toch glipt er soms een fout doorheen: de uitkomst ziet betrouwbaar uit, maar klopt niet helemaal. Grotere groepen qubits geven meer bescherming, maar dat kost ook meer hardware. Google Quantum AI onderzocht daarom een andere route: niet elke fout tijdens de berekening voorkomen, maar de sporen die het foutcorrectiesysteem al verzamelt, achteraf gebruiken om de uitkomst te corrigeren.
Twee decoders vergelijken aantekeningen
Bij elke controle van de qubits ontstaan zogeheten foutsyndromen: aantekeningen over wat er mis zou kunnen zijn gegaan. Een programma, de decoder, leest die aantekeningen en beslist welke correctie nodig is. Tijdens de berekening moet dat razendsnel gebeuren, wat fouten in de beslissing kan opleveren. Het Google-team gebruikt daarom een tweede, langzamere maar nauwkeurigere decoder die de aantekeningen achteraf nog eens grondig doorrekent. Door de uitkomsten van beide decoders te vergelijken, kunnen de onderzoekers inschatten welke metingen waarschijnlijk een gemiste fout bevatten. Vervolgens wordt elke meting een gewicht gegeven: metingen waarbij beide decoders het eens zijn, tellen iets zwaarder mee, metingen met onenigheid krijgen juist een negatief gewicht. Dat is iets anders dan simpelweg twijfelgevallen weggooien, want ook wanneer beide decoders het eens zijn kan de uitkomst nog fout zijn. De methode, virtuele foutonderdrukking genoemd, gebruikt precies die onenigheid om de resterende afwijking in de uiteindelijke schatting weg te middelen.
Duizendvoudige verbetering, maar alleen in simulaties
De onderzoekers testten hun aanpak op een oppervlaktecode, een veelgebruikte manier om qubits foutbestendig te rangschikken, met verschillende beschermingsniveaus. Bij het grootste testmodel, met 49 qubits, verkleinde virtuele foutonderdrukking de systematische afwijking in de uitkomst meer dan duizendvoudig vergeleken met gewone foutcorrectie, en meer dan honderdvoudig vergeleken met het simpelweg negeren van twijfelachtige metingen. Dat resultaat gold vooral bij een gemiddelde foutkans van 2,2 procent of lager en bij gebruik van tien miljoen of meer eerdere metingen om de ruis goed in te schatten. De methode vraagt wel om meer herhalingen van een experiment, omdat de positieve en negatieve gewichten de uitkomst gevoeliger maken voor toeval. Toch bleek die extra meetlast in gunstige gevallen ongeveer half zo groot als bij vergelijkbare bestaande technieken.
De resultaten komen vooralsnog uit een sterk vereenvoudigde simulatie, waarbij alleen de qubits zelf fouten konden maken en de controles perfect werkten. Echte kwantumchips hebben ook fouten tijdens metingen en bewerkingen zelf. De onderzoekers willen hun methode daarom nu testen met realistischere ruis en op echte kwantumhardware, voordat duidelijk wordt of de winst overeind blijft buiten de simulatie.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als deze methode ook op echte hardware werkt, kunnen vroege foutbestendige kwantumcomputers nauwkeurigere antwoorden geven zonder dat daarvoor extra qubits of aparte kalibratie-experimenten nodig zijn. Dat zou de weg naar bruikbare kwantumberekeningen met beperkte hardware een stuk korter kunnen maken.
- Qubit
- De basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer, vergelijkbaar met een bit in een gewone computer maar gevoeliger voor storingen.
- Logische qubit
- Een beschermde rekeneenheid die wordt opgebouwd uit meerdere fysieke qubits, zodat fouten beter kunnen worden opgespoord en hersteld.
- Kwantumfoutcorrectie
- Het geheel aan technieken waarmee een kwantumcomputer voortdurend controleert of er fouten optreden en deze probeert te herstellen.
- Oppervlaktecode
- Een veelgebruikte manier om qubits te rangschikken zodat fouten makkelijker opgespoord en gecorrigeerd kunnen worden.
- Foutsyndroom
- De aantekeningen die ontstaan bij elke controle van qubits en die aangeven dat er mogelijk iets is misgegaan.
- Decoder
- Het computerprogramma dat de foutsyndromen leest en beslist welke correctie waarschijnlijk nodig is.
- Virtuele foutonderdrukking
- De nieuwe methode van Google waarbij metingen na de berekening een positief of negatief gewicht krijgen, zodat resterende fouten in de uitkomst elkaar gemiddeld opheffen.
- Codedistantie
- Een maat voor hoe sterk een foutcorrectiecode beschermt; een hogere codedistantie biedt meer bescherming maar vraagt ook meer qubits.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
