Quantinuum siger, at det er tæt på kvantefejlkorrektion Break-even punkt

Quantinuum, som slutter sig til Cambridge Quantum software med Honeywell Quantum fanget-ion-hardware, meddelte i dag, at det er tæt på et "breakeven-punkt i kvantefejlkorrektion. Det følgende er et papir udgivet af virksomheden.

BROOMFIELD, Colorado, 4. august 2022 – Kvantinuum forskere har ramt en betydelig milepæl ved at vikle logiske qubits ind i et fejltolerant kredsløb ved hjælp af kvantefejlkorrektion i realtid. Forskningen, offentliggjort i en ny videnskabelig artikel, der blev udgivet den 3. august^rd, er det første eksperimentelle sammenligningsstudie af forskellige kvantefejlkorrektionskoder i lignende miljøer og præsenterer en samling af flere forskellige eksperimenter. Disse eksperimenter omfatter:

1. Den første demonstration af sammenfiltring af porte mellem to logiske qubits udført på en fuldt fejltolerant måde ved brug af fejlkorrektion i realtid.

2. Den første demonstration af et logisk sammenfiltringskredsløb, der har højere kvalitet end det tilsvarende fysiske kredsløb.

Denne milepælspræstation er vigtig, fordi den markerer første gang, at logiske qubits har vist sig at overgå fysiske qubits - et kritisk skridt hen imod fejltolerante kvantecomputere.

"Quantinuums fangede-ion-kvantecomputerkøreplan er designet omkring løbende opgraderinger, hvilket muliggjorde vores fleksible arkitektur og vores præcisionskontrolfunktioner. Denne kombination sørger for enestående, første af sin slags præstationer, der hjælper med at accelerere hele industrien,” sagde Tony Uttley, præsident og COO for Quantinuum.

David Hayes, en teknisk leder for teori og arkitektur hos Quantinuum og medforfatter af det nye forskningspapir, sagde, at forskningen flytter kvantecomputere tættere på det punkt, hvor kodede kredsløb udkonkurrerer mere primitive operationer.

"Folk har arbejdet med fejlkorrigerede qubits før, men de har ikke nået denne slags specielle punkt, hvor den kodede operation fungerer bedre end den primitive operation," sagde Hayes. "Den anden ting, der er ny her, er, at vi i andre eksperimenter laver fejlkorrektionen, mens vi udfører operationerne. Et vigtigt næste skridt for os er at få fejlprocenten induceret af selve fejlkorrektionen yderligere ned.”

Resultaterne er beskrevet i det nye forskningspapir, "Implementering af fejltolerante entangling Gates på Five-Qubit-koden og farvekoden." Avisen blev for nylig offentliggjort på arXiv. Forskere brugte både H1-1 og H1-2 kvantecomputere, Powered by Honeywell, til at sammenligne Five-Qubit fejlkoden og Distance Three Color Code i disse tests.

Kvanteforskere er i de tidlige dage af eksperimentel kvantefejlkorrektion med et væld af koder at teste. Quantinuum-forskere kan udforske en bredere række af kvantefejlkoder sammenlignet med andre kvantehardwaredesigns på grund af maskinens arkitektur.

System Model H1 bruger et fanget-ion-design og en kvanteladet koblet enhedsarkitektur (QCCD). Sammen med den iboende fleksibilitet i dette design er en anden styrke alt-til-alle-forbindelse. Alle qubits er forbundet med hinanden, hvilket gør det nemt at flytte information gennem kæder af ioner uden at skabe flere fejl undervejs.

"I stedet for at skulle bygge en ny maskine, hver gang vi vil prøve en ny kode, kan vi bare programmere maskinen til at køre en anden kode, foretage målingerne og veje de forskellige fordele og ulemper," sagde Hayes.

Alle former for teknologi har brug for fejlkorrektion, inklusive servere i datacentre og rumsonder, der sender transmissioner tilbage til Jorden. For Quantinuum og andre virksomheder i kvantecomputersektoren er kvantefejlkorrektion en af ​​de vigtigste søjler for fremskridt. Fejl forhindrer kvantecomputere i at producere pålidelige resultater, før de overvældes. Quantinuums forskere arbejder hen imod milepælen for fejltolerance, hvilket betyder, at fejlene kan undertrykkes til vilkårligt lave niveauer.

Natalie Brown, en anden medforfatter af papiret og en avanceret fysiker ved Quantinuum, sagde, at de fleste klassiske fejlkorrektionsprincipper fejler med kvantecomputere på grund af kvantemekanikkens grundlæggende natur.

"Det bliver meget svært at undertrykke støj til meget små niveauer, og det bliver et problem i kvantecomputere," sagde hun. "Den mest lovende kandidat var denne kvantefejlkorrektion, hvor vi tager de fysiske qubits, laver en logisk qubit."

Logiske qubits er grupper af fysiske qubits, der arbejder sammen for at udføre en beregning. For hver fysisk qubit, der bruges i en beregning, udfører andre hjælpequbits en række opgaver, såsom at spotte og rette fejl, når de opstår.

"En af de første virkelig vigtige ting at demonstrere var disse gentagne runder af kvantefejlkorrektionscyklusser," sagde han.

Det er en af ​​flere milepæle på Ryan-Andersons tjekliste for kvantefejlkorrektion:

1. Udfør gentagne runder af fejltolerant kvantefejlkorrektion

2. Foder frem og påfør betinget syndromekstraktion

3. Aktiver realtidsbestemmelse af korrektion for en kvantefejlkorrektionskode

4. Demonstrer generel algoritmisk realtidsafkodning

5. Opskaler kvantefejlkorrektion med to logiske qubits

6. Hit breakeven-punktet, når logisk kvanteberegning begynder at overgå fysisk kvanteberegning

"Quantinuum har opnået nogle af de milepæle, der kræves for at opnå dette nu," sagde Ryan-Anderson.

Med udgangspunkt i 2021-forskningen, der involverer en logisk qubit, illustrerer den nyeste forskning Quantinuum-teamets fremskridt med kvantefejlkorrektion og to logiske qubits. Holdet testede to fejlkoder, som kvanteeksperter kender: Five-Qubit Code og Color Code. Fem-Qubit-koden tillader ikke en fejltolerant transversal gate, der kun bruger to logiske qubits. Forskere brugte "pieceable" fejltolerance til at dekomponere en oprindeligt ikke-fejltolerant logisk gate-operation i stykker, der er individuelt fejltolerante. Farvekoden tillader dog brugen af ​​en tværgående CNOT-port, som er naturligt fejltolerant.

H1-2 kan bruge op til 12 qubits og H1-1 kan bruge op til 20. Fem-Qubit-koden testet på H1-2, mens farvekoden er testet på H1-1. Begge computere bruger den samme overfladeelektrode-ionfælde til at styre ytterbiumioner som qubits. Iontransport til isolerede gatezoner med fokuserede laserstråler giver lav krydstale gate og midtkredsmåleoperationer.

Forskerne kørte fem eksperimenter med forskellige kombinationer af kredsløbselementer for at teste Five-Qubit Code og for at forstå virkningen af ​​fejltolerant design og kredsløbsdybde. Holdet fandt ud af, at det ekstra kredsløb designet til at øge fejltolerancen havde en negativ indvirkning på den overordnede pålidelighed af den logiske operation på grund af det store antal CNOT-operationer, der kræves.

Farvekoden viste meget bedre resultater, delvist på grund af muligheden for at bruge en tværgående CNOT-port. Holdet kørte syv eksperimenter for at undersøge disse koders fejltolerante potentiale. Med farvekoden fandt forskerne ud af, at statsforberedelses- og målekredsløbene havde fordel af tilføjelsen af ​​fejltolerante kredsløb med en betydelig reduktion af fejlrater: 99.94 % for de logiske qubits sammenlignet med 99.68 % for de fysiske qubits. Dette var det eneste ekstra kredsløb, der krævedes for at gøre kredsløbet fejltolerant fra ende til ende, da den logiske CNOT er tværgående og naturligt fejltolerant.

Forskerne konkluderede, at det "relativt økonomiske fejltolerante kredsløb i farvekoden vil give en bedre platform for beregning end den qubit-effektive fem-qubit-kode." Forskerne fandt også ud af, at Five-Qubit Code kun ville være nyttig i systemer med langt lavere fysiske fejlfrekvenser end kvantecomputere har på dette tidspunkt.

Hayes sagde, at holdets næste skridt vil være at overgå breakeven-punktet og levere bevis for arbejdet. "Vi får beviser for, at vi virkelig er tæt på det punkt, men der er meget arbejde, der skal gøres for rent faktisk at bevise det," sagde han. "Bare det at komme dertil er ikke godt nok, du skal faktisk komme forbi det."

Et andet fremskridt fra dette eksperiment er en ny klassisk processor med forbedrede muligheder, som vil være afgørende for skalerbare algoritmiske dekodere. Dataene fra de klassiske funktioner blev brugt til at diktere kontrolflowet og operationer udført i kvanteprogrammet.

Dekoderne, der blev brugt i disse eksperimenter, blev delvist skrevet i Rust og kompileret til WebAssembly (Wasm). Valget af Wasm giver et effektivt, sikkert og bærbart klassisk sprog med funktioner, der kan kaldes fra kvanteprogrammer.

Dekoderen implementeret i Rust bruger mange programkonstruktioner på højt niveau. Understøttelsen af ​​disse funktioner betyder, at forskellige skalerbare algoritmiske dekodere kan implementeres ergonomisk i forskellige højniveausprog, der kompileres til Wasm (såsom Rust, C og C++) og kaldes fra kvanteprogrammer.

"Det var temmelig muliggørende for dette særlige eksperiment, og det vil være endnu vigtigere for fremtidige eksperimenter, da disse ting bliver mere og mere komplicerede," sagde Hayes.

En anden fordel ved den fangede ion-arkitektur er evnen til at træffe beslutninger i realtid under udførelsen af ​​kvantekredsløbet takket være lange kohærenstider og evnen til at udføre midtkredsmåling og nulstille qubits efter behov.

"Vores systemer har meget lange sammenhængstider, hvilket er super fordelagtigt, når det integreres i den klassiske beregningsproces i realtid," sagde Hayes.