Google gebruikt “magie” om fouten bij kwantumcomputing te verminderen

Onderzoekers van Google hebben een nieuwe manier gedemonstreerd om fouten in kwantumcomputers te verminderen, waarmee het bedrijf een stap dichter komt bij de bouw van machines die praktische problemen kunnen oplossen. De techniek, die ‘magic state cultivation’ wordt genoemd en op de Willow-kwantumprocessor van het bedrijf is getest, verminderde het aantal voorbereidingsfouten met ongeveer een factor 40 en leverde kwantumtoestanden op met een logische getrouwheid van 99,99 %.

De term ‘magic states’ is een ingeburgerd concept in kwantumcomputing en verwijst niet naar iets bovennatuurlijks. Deze toestanden stellen kwantumcomputers in staat bepaalde bewerkingen uit te voeren die nodig zijn voor universele kwantumcomputing, waaronder bewerkingen die met T-poorten worden uitgevoerd. Omdat magic states tijdens berekeningen worden verbruikt en niet opnieuw kunnen worden gebruikt, vormt de betrouwbare productie ervan op grote schaal een aanzienlijke technische uitdaging.

Bestaande methoden om magic states te produceren maken gebruik van een proces dat magic state distillation wordt genoemd. Daarbij worden meerdere onvolmaakte toestanden gecombineerd om een kleiner aantal betrouwbaardere toestanden te produceren. Volgens Google kan dit proces een aanzienlijk deel van de middelen van een kwantumcomputer verbruiken, waardoor minder capaciteit overblijft voor daadwerkelijke berekeningen.

De cultivatiemethode van Google volgt een andere aanpak. In plaats van grote groepen onvolmaakte toestanden te verwerken, bereidt het systeem afzonderlijke toestanden voor en controleert het deze herhaaldelijk met metingen die zijn ontworpen om fouten te detecteren zonder de onderzochte toestanden te vernietigen. Pogingen die niet door de controles komen, worden verworpen, zodat alleen de betrouwbaarste resultaten overblijven.

Op de Willow-processor van Google verminderde de techniek het aantal voorbereidingsfouten met ongeveer een factor 40 ten opzichte van toestanden die zonder cultivatie waren voorbereid. De resulterende toestanden bereikten een logische getrouwheid van 99,99 %, wat wijst op een zeer laag foutenpercentage. Deze nauwkeurigheid had echter een prijs: bij de strengste experimentele proeven werd ongeveer 92 % van de pogingen verworpen, waardoor slechts 8 % overbleef voor gebruik.

Ook het meten van zulke kleine fouten vormde een uitdaging. Het team ontwikkelde een techniek genaamd kickback-tomografie nadat het had ontdekt dat temperatuurschommelingen en ruis van elektrische apparatuur de eerste metingen verstoorden. De onderzoekers toonden vervolgens aan dat gecultiveerde toestanden konden worden overgebracht naar een grotere kwantumfoutcorrectiecode, hoewel de overdracht extra fouten introduceerde.

Het experiment levert geen complete fouttolerante kwantumcomputer op. In plaats daarvan pakt het een specifiek technisch knelpunt aan: het produceren van de hoogwaardige toestanden die nodig zijn voor nuttige berekeningen, zonder buitensporig veel hardwaremiddelen aan de voorbereiding ervan te besteden.