AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Google kweekt bijna foutloze 'magische' kwantumtoestanden op chip
Onderzoekers van Google Quantum AI hebben op een echte kwantumchip een nieuwe methode getest om de lastigste bouwstenen van een kwantumcomputer vrijwel foutloos te maken. De techniek, 'magic state cultivation' genoemd, verlaagt het foutenpercentage met een factor 40 en haalt een betrouwbaarheid van bijna 100 procent. Dat is een belangrijke stap richting kwantumcomputers die grote, praktische berekeningen foutvrij kunnen uitvoeren.
Kwantumcomputers rekenen met kwantumbits, of qubits, die door hun gevoeligheid snel fouten maken. Om toch betrouwbare berekeningen te doen, groeperen onderzoekers meerdere fysieke qubits tot één foutbestendige 'logische' qubit. Dat werkt goed voor een deel van de benodigde rekenstappen, de zogeheten Clifford-gates. Maar voor universele kwantumberekeningen zijn ook andere stappen nodig, non-Clifford-gates, en die kunnen niet op dezelfde eenvoudige manier foutbestendig gemaakt worden.
Het probleem met 'magische' bouwstenen
Om non-Clifford-bewerkingen toch mogelijk te maken, gebruiken onderzoekers speciale hulptoestanden die 'magic states' worden genoemd. Het probleem is dat deze toestanden zelf foutgevoelig zijn en extreem zuiver moeten zijn voordat ze veilig gebruikt kunnen worden. De gangbare methode om ze te zuiveren heet distillatie: je combineert veel ruwe magic states tot een paar zuivere exemplaren. Dat kost echter enorm veel extra qubits en rekentijd, wat distillatie tot een van de grootste praktische knelpunten van foutbestendig kwantumrekenen maakt.
Kweken in plaats van zuiveren
Het onderzoeksteam van Google, met hoofdauteur Emma Rosenfeld en bijna driehonderd medeauteurs, testte in plaats daarvan een alternatieve aanpak: magic state cultivation, vrij vertaald 'het kweken van magische toestanden'. In plaats van grote hoeveelheden ruwe toestanden te combineren, laten de onderzoekers een kleine, lokale foutcorrigerende code stap voor stap groeien rond een magic state. Vervolgens schakelen ze over naar een grotere, stabielere foutcorrectiecode die bekendstaat als de surface code, een proces dat 'code-switching' heet. Om te controleren of de uiteindelijke magic state goed genoeg is, ontwikkelden de onderzoekers ook een nieuwe meetmethode die zelf tegen fouten bestand is.
Veertig keer minder fouten
Het experiment, uitgevoerd op een van Google's supraleidende kwantumchips, leverde opvallende resultaten op. De foutenkans van de gekweekte magic states daalde met een factor 40 vergeleken met de ruwe, ongecorrigeerde toestand. De uiteindelijke betrouwbaarheid, de zogeheten fidelity, kwam uit op 0,9999: de toestand is dus in 99,99 procent van de gevallen correct. Dat resultaat werd gehaald in 8 procent van de pogingen; de rest werd verworpen omdat de kwaliteit niet hoog genoeg was. Volgens de onderzoekers laat dit voor het eerst experimenteel zien dat cultivation een haalbaar alternatief is voor de veel duurdere distillatiemethode. Dat is relevant omdat non-Clifford-gates in bijna elk nuttig kwantumalgoritme nodig zijn, van simulaties van moleculen tot cryptografie. Een goedkopere manier om ze foutbestendig te maken, kan de weg vrijmaken naar kwantumcomputers die met veel minder overhead grote, betrouwbare berekeningen uitvoeren.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze resultaten laten zien dat een van de duurste stappen in foutbestendig kwantumrekenen goedkoper kan dan gedacht. Als magic state cultivation opschaalt naar grotere systemen, kunnen kwantumcomputers met minder qubits en minder overhead complexe, praktisch nuttige berekeningen uitvoeren. Dat brengt toepassingen zoals medicijnonderzoek, materiaalontwerp en complexe optimalisatieproblemen een stap dichterbij.
- Qubit
- De kwantumversie van een bit; de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer, die door kwantumeffecten meer kan dan een gewone 0 of 1.
- Foutcorrectie
- Een set technieken om fouten in qubits op te sporen en te herstellen, meestal door informatie te verdelen over meerdere fysieke qubits.
- Logische qubit
- Een foutbestendige qubit die is opgebouwd uit meerdere fysieke qubits, zodat fouten in losse qubits gecorrigeerd kunnen worden.
- Clifford-gates
- Een groep basisbewerkingen in kwantumrekenen die relatief eenvoudig foutbestendig te maken zijn, maar op zichzelf niet genoeg zijn voor alle berekeningen.
- Non-Clifford-gates
- Extra bewerkingen die nodig zijn om een kwantumcomputer universeel te maken, maar die lastiger foutbestendig uit te voeren zijn dan Clifford-gates.
- Magic state
- Een speciale, zorgvuldig voorbereide kwantumtoestand die gebruikt wordt om non-Clifford-bewerkingen foutbestendig uit te voeren.
- Magic state distillatie
- De gangbare methode om zuivere magic states te maken door veel ruwe exemplaren te combineren; effectief maar erg kostbaar in qubits en tijd.
- Magic state cultivation
- Een nieuwere, efficiëntere methode om magic states te zuiveren door een kleine foutcorrigerende code lokaal te laten groeien, in plaats van grote aantallen toestanden te combineren.
- Surface code
- Een veelgebruikte, robuuste foutcorrectiecode voor kwantumcomputers waarbij qubits op een rooster worden gerangschikt.
- Code-switching
- Het overstappen van één foutcorrectiecode naar een andere tijdens een berekening, in dit geval van de lokale cultivation-code naar de surface code.
- Fidelity
- Een maat voor hoe nauwkeurig een kwantumtoestand overeenkomt met de gewenste, foutloze toestand; hoe dichter bij 1, hoe beter.
- Supraleidende kwantumprocessor
- Een kwantumchip waarin qubits worden gemaakt met supraleidende circuits, gekoeld tot extreem lage temperaturen om kwantumeffecten te behouden.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
