Kvantbitar är extremt känsliga för störningar. Ju längre en beräkning pågår, desto större är risken att kvanttillståndet bryts och resultatet förstörs av fel. Forskare vid Chalmers har nu utvecklat en metod som kan göra vissa av de operationer som behövs för kvantfelkorrigering upp till tusen gånger snabbare.
Fel är ett av de största hindren för att bygga praktiskt användbara kvantdatorer. Elektriskt brus, temperaturvariationer och till och med kosmisk strålning kan påverka kvantbitarna. Problemet blir större ju fler operationer en beräkning kräver och ju längre tid den tar.
En väg mot feltoleranta kvantdatorer är så kallade bosoniska kvantkoder. I stället för att lagra kvantinformationen direkt i enskilda kvantbitar kodas den i exempelvis mikrovågsfält i supraledande resonatorer. På så sätt kan informationen få ett inbyggt skydd mot vissa typer av fel.
Problemet är att de kvanttillstånd som används i sådana koder är komplicerade att skapa och styra. Tidigare metoder kan kräva tusentals styrpulser efter varandra. Det tar tid, och under den tiden ökar risken att störningar förstör kvanttillståndet.
Forskarna Lei Du och Tangyou Huang vid Chalmers har nu utvecklat en metod där motsvarande operationer kan genomföras betydligt snabbare. Nyckeln är så kallade kvantgittergrindar, quantum lattice gates, i kombination med Floquet-styrning.
I stället för att bygga upp operationen steg för steg kan metoden skapa en kvantgittergrind direkt under en enda styrperiod. För vissa operationer innebär det en hastighetsökning på upp till tre storleksordningar.
– Vår metod visar att vi kan göra flera olika kvantoperationer av det här slaget i en enda sekvens, i stället för att behöva upprepa processen flera tusen gånger. Kvantoperationerna blir alltså snabbare och mer effektiva, och man minskar risken för att störningar ska hinna förstöra informationen, säger Lei Du.
Metoden är utvecklad för supraledande kvantdatorer och kräver alltså inte någon helt ny typ av kvantdator. Chalmersforskarna diskuterar nu möjliga experimentella tester av tekniken. Resultaten har publicerats i Physical Review Letters.
Kvantfelkorrigering har varit ett centralt forskningsområde inom kvanttekniken under lång tid. Grundproblemet kan dock angripas även från ett annat vinkel, nämligen genom att minska antalet operationer så att färre fel hinner uppstå från början.
Det är den vägen som bland annat det finländska kvantmjukvaruföretaget QMill arbetar med. Bolaget utvecklar metoder för att komprimera och optimera kvantkretsar så att en beräkning kan genomföras med färre kvantgrindar och mindre kretsdjup.
Foto: Chalmers | Malin Arnesson och Anna-Lena Lundquist