Kvantdatorer lovar att lösa vissa problem som är extremt svåra för dagens datorer.
Men det finns ett stort hinder: kvantinformation är mycket ömtålig, och även små störningar kan göra att en beräkning går fel.
Forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige har nu föreslagit ett sätt att utföra ett brett spektrum av avancerade kvantoperationer mer än 1000 gånger snabbare än vissa tidigare metoder. Genom att slutföra operationerna mycket snabbare kan metoden minska de tidsfel som måste byggas upp.
Camp Nou blir arenan för Champions League-finalen
Den teoretiska studien publicerades i Physical Review Letters under titeln ”Single-Period Floquet Control of Bosonic Codes with Quantum Lattice Gates”. Författarna är Tangyou Huang, Lei Du och Lingzhen Guo, som är knutna till Chalmers tekniska universitet och Tianjin universitet.
Vanliga datorer lagrar information som bitar, som normalt har värdet 0 eller 1. Kvantdatorer använder kvantbitar, eller qubits, som kan bete sig mer komplext och göra det möjligt att attackera vissa beräkningar helt annorlunda.
Detta ovanliga beteende kan så småningom hjälpa till med problem inom områden som kemi, läkemedelsutveckling, energiteknik, logistik och materialvetenskap. Men användbara storskaliga kvantdatorer måste hålla felen under kontroll genom långa och komplicerade beräkningar.
Detta är svårt eftersom qubits är extremt känsliga. Elektriskt brus, oönskad värme, strålning och andra små förändringar i omgivningen kan störa deras kvanttillstånd och skada den information som bearbetas.
Forskarna utvecklar därför kvantfelkorrigering. Det grundläggande målet är att skydda viktig information så att fel kan upptäckas och rättas till innan de förstör en hel beräkning.
Chalmers-teamet studerade en metod som kallas bosoniska kvantkoder. Istället för att endast lagra kvantinformation i enskilda qubits kan dessa koder placera information i kontrollerade mikrovågsfält inuti supraledande kretsar.
Denna metod kan ge inbyggt skydd mot vissa typer av fel. Att skapa och kontrollera de komplicerade kvanttillstånd som krävs för dessa koder har dock i sig varit långsamt och svårt.
Tidigare metoder kan kräva tusentals upprepade styrcykler för att uppnå en önskad operation. Varje ytterligare cykel tar tid, och längre operationer ger miljöstörningar fler möjligheter att störa kvantinformationen.
Forskarna utvecklade en genväg baserad på det de kallar kvantgittergrindar. Dessa grindar är grundläggande styrverktyg utformade för att utföra ett brett spektrum av operationer på bosoniska kvanttillstånd.
Med den nya metoden kan operationer som tidigare krävde flera tusen körcykler slutföras inom en enda cykel. För vissa uppgifter innebär detta en hastighetsökning på mer än 1000 gånger.
Forskaren Lei Du förklarade att snabbare operationer inte bara handlar om att få en kvantdator att slutföra en beräkning tidigare. Att minska längden på en operation kan också minska risken för yttre störningar som förstör informationen innan operationen är slutförd.
Medförfattaren Tangyou Huang jämförde idén med att bygga ett stort Lego-slott. Istället för att placera varje kloss individuellt är de nya grindarna mer som färdiga sektioner som snabbt kan sättas ihop, vilket minskar antalet steg som krävs.
Tekniken använder noggrant utformade, repetitiva styrsignaler för att styra kvantsystemet. Tidigare metoder baserade på liknande repetitiva signaler krävde generellt många cykler, medan den nya designen tillåter att den avsedda grinden produceras direkt i en cykel.
En annan fördel är att förslaget är utformat för supraledande kvantkretsar. Supraledande system används redan i stor utsträckning inom kvantberäkningsforskning, så metoden kan vara kompatibel med den teknik som laboratorier utvecklar idag.
Chalmers arbetar själv med supraledande kvantdatorer, inklusive arbete med en 100-qubitars maskin. Forskarna säger att de diskuterar möjliga experimentella tester av den nya tekniken med kollegor.
Det experimentella steget kommer att vara viktigt. Det nuvarande arbetet är teoretiskt, vilket innebär att forskarna genom matematisk och datorbaserad analys har visat hur metoden bör fungera, men att den fortfarande måste demonstreras i verkliga kvantprodukter.
Om experimenten bekräftar den förutsagda hastigheten och kontrollen kan metoden lösa en viktig flaskhals inom kvantdatorer. Snabb förberedelse och kontroll av felskyddade kvanttillstånd kommer att vara avgörande om framtida maskiner ska kunna utföra långa beräkningar pålitligt.
Studien innebär inte att feltoleranta kvantdatorer nu är redo. Många tekniska och vetenskapliga utmaningar kvarstår, inklusive att förbättra hårdvara, minska olika typer av fel och skala system till mycket fler tillförlitliga kvantkomponenter.
Ändå erbjuder forskningen ett möjligt sätt att göra en viktig del av kvantdatorer dramatiskt snabbare. Genom att förkorta komplicerade operationer från tusentals kontrollcykler till en kan metoden hjälpa forskare att bygga kvantsystem som har mindre tid att göra misstag.
Läs på TimePeopleWorld: Avengers: Doomsday bryter barriären — Historiskt förhandsförsäljningsrekord chockar branschen
