Eine neue Methode zur Steigerung der Leistung von Quantencomputern

• Forscher entwickeln eine theoretische Methode zur Verbesserung der Quantencomputerleistung.
• Die Methode ist als dynamische Entkopplung bekannt und funktionierte auf 2 kleinen Quantencomputern.
• Es erfordert keinen Codierungsaufwand und funktioniert, indem es Quantengatter in Entkopplungsimpulse umwandelt.

Das Konzept des Quantencomputings wurde Anfang der 1980er Jahre eingeführt. Die Idee ist, Quantenbits (Qubits, die in Überlagerungen von Zuständen sein können) anstelle von Binärbits zu verwenden, um Berechnungen sicher und mit extrem hoher Geschwindigkeit durchzuführen.

Drei Jahrzehnte später steckt das Quantencomputing noch in den Kinderschuhen. Obwohl Hunderte von Tests durchgeführt wurden, bei denen Quantenberechnungen an einer kleinen Anzahl von Qubits ausgeführt wurden.

Es wird erwartet, dass Quantencomputer mehrere Millionen Mal schneller sind als die heutigen Supercomputer und sie haben das Potenzial, die Finanz-, Verteidigungs-, Informationstechnologie- und Medizinindustrie zu revolutionieren. Sie nutzen das Verhalten von Atomen, um unglaublich komplexe Aufgaben mit extrem hoher Geschwindigkeit auszuführen.

Sie haben jedoch einige Einschränkungen. Sie sind sehr fehleranfällig und benötigen Stabilität, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Normalerweise funktionieren sie nicht richtig und führen zu schlechten Ergebnissen. Forscher auf der ganzen Welt sind noch immer nicht in der Lage, eine Quantenmaschine zu entwickeln, die einen herkömmlichen Computer in jeder Aufgabe übertrifft.

Das Hauptproblem bei aktuellen Quantencomputern ist „Rauschen“ – Störungen, die durch Vibrationen, Temperatur und Geräusche verursacht werden. Es erzeugt Dekohärenz, die Qubits instabil machen kann, indem sie die Dauer eines Quantenzustands unterbricht. Dies verkürzt die Zeit, in der eine Quantenmaschine eine Aufgabe genau ausführen kann (ohne Fehler).

Eine Quantenmaschine mit zu viel Dekohärenz hat keinen Nutzen. Wenn Sie dieses Problem lösen können, können Sie den Punkt erreichen, an dem Quantencomputing praktischer und produktiver wird als herkömmliche Computer.

Kürzlich haben Forscher der University of Southern California eine theoretische Methode zur Verbesserung der Quantencomputerleistung enthüllt. Es adressiert eine Schwäche aktueller Quantencomputer, indem es fehlerhafte Berechnungen minimiert und gleichzeitig die Genauigkeit der Ergebnisse steigert. Die Methode ist als Dynamical Decoupling (DD) bekannt und funktionierte auf 2 Quantencomputern.

DD wurde entwickelt, um Dekohärenz durch das Anlegen von Impulsen an das System zu unterdrücken, die die Wechselwirkung zwischen System und Umgebung in einer bestimmten Ordnung in der zeitabhängigen Störungstheorie aufheben. Insgesamt erfordert es keinen Codierungsaufwand und funktioniert, indem es Quantengatter in Entkopplungsimpulse umwandelt.

Referenz:Physische Überprüfungsschreiben | doi:10.1103/PhysRevLett.121.220502 | USC

Die Zeitfolgen für diese Tests waren sehr klein:200 Impulse wurden innerhalb von 0,6 Mikrosekunden aufgezeichnet.

Anwenden der dynamischen Entkopplung in der heutigen Quantenmaschine

Forscher testeten DD auf zwei Quantencomputern – IBMs 16-Qubit-QX5 und Rigettis 19-Qubit-Acorn – und fanden heraus, dass es einfacher und zuverlässiger ist als andere Methoden. Es eignet sich für die Implementierung in bestehende kleine Cloud-basierte Quantencomputer.

Der 8-Qubit-Quantenprozessor | Bildnachweis: Rigetti Computing

Das Verfahren kann verschränkte Zwei-Qubit-Zustände bis zu einem gewissen Grad schützen. Verschiedene Sequenzen der dynamischen Entkopplung können sowohl Dephasierungs- als auch Spontanemissionsfehler mildern. Im Gegensatz zu früheren Studien verwendeten sie keinen Quantenfehlerkorrekturcode und erzielten so außergewöhnliche Verbesserungen der Wiedergabetreue gegenüber natürlicher Dekohärenz.

Die endgültige Wiedergabetreue für IBMs QX5 sprang von 28,9 % auf 88,4 %, während sie sich für Rigettis Acron von 59,8 % auf 77,1 % verbesserte. Die Forscher fanden auch heraus, dass mehr Pluspunkte beim Rigetti-Quantencomputer immer eine längere Lebensdauer ermöglichen, während es beim IBM-Computer eine Grenze von ungefähr 100 Pulsen gab.

Lesen Sie:18 interessanteste Fakten über Quantencomputer 

Insgesamt zeigt die Studie, dass der dynamische Entkopplungsmechanismus weitaus besser funktioniert als bestehende Quantenfehlerkorrekturtechniken.