Kuantum ölçümlerini hızlandırmak için yeni bir Fiziksel İnceleme Mektupları Çalışma, kuantum bilgi işlem uygulamaları için oldukça faydalı olabilecek bir uzay-zaman takas şeması önermektedir.
Kuantum bilgi işlem, hata oranları, kubit stabilitesi ve birkaç kubitin ötesinde ölçeklenebilirlik dahil olmak üzere çeşitli zorluklara sahiptir. Bununla birlikte, daha az bilinen zorluklardan biri kuantum hesaplama yüzleri kuantum ölçümlerinin sadakati ve hızıdır.
Çalışmanın araştırmacıları, ölçüm süresini korurken veya iyileştirirken ölçüm süresini önemli ölçüde azaltmak için ek veya yardımcı kubitler kullanarak bu zorluğu ele almaktadır.
Bristol Üniversitesi’nden Christopher Corlett, Profesör Noah Linden ve Dr. Paul Skrzypczyk liderliğindeki çalışma, Oxford Üniversitesi, Strathclyde Üniversitesi ve Sorbonne Université üyeleri de dahil olmak üzere işbirlikçi bir çabaydı.
CEİD, Corlett, Profesör Linden ve Dr. Skrzypczyk ile çalışmaları hakkında konuştu.
Corlett, “Kuantum mekaniğindeki ölçüm süreci en önemli ve büyüleyici özelliklerinden biridir. Gelecekteki kuantum teknolojileri için de hayati önem taşıyor.”
Skrzypczyk, “Doğru ve hızlı kuantum ölçümleri, ortaya çıkan kuantum teknolojilerinin geliştirilmesi için çok önemlidir. Kuantum hata düzeltmesiyle ilgili son seminal sonuçlar, hata toleransının imkansız olacağı hata kod çözmeyi kolaylaştırmak için hızlı ve doğru ölçümlere ihtiyaç olduğunu göstermektedir.”
Ölçüm Mücadelesi
Bir kubit üzerinde gerçekleştirilebilecek sonsuz birçok ölçüm vardır. Özellikle önemli olan iki doğal durumdan biri olup olmadığını araştırıyor: 0 veya 1. Bu ölçümü doğru bir şekilde yerine getirmek tipik olarak kubbit’i uzun süre araştırmayı içerir.
Bu daha uzun ölçümler tipik olarak daha yüksek doğruluk verir, ancak kuantum hata düzeltmesinde gerekli olan orta devre ölçümleri için sorunlu, önemli yük ve gecikme getirir. Ek olarak, daha uzun ölçümler, bu süre zarfında birikebilecek gürültü ve decoherence getirir.
Araştırmacılar bunu bir benzetme ile açıklar.
“İki bardak su, biri 100 mL’li, diğeri 90 mL’li bir resmin resmini gösterdiğinizi ve hangi camın daha fazla suya sahip olduğunu belirlemeniz gerektiğini düşünün.
Corlett, “Resmi sadece bir saniye gösteriyorsanız, hangi camın daha dolu olduğunu söylemek için mücadele edebilirsiniz. Ancak, resmi iki saniye gösteriyorsanız, hangi camın daha dolu olduğu konusunda daha fazla güvenebilirsiniz.”
Araştırmacılar, ölçümün kubbit durumu hakkında sabit bir süre içinde toplayabileceği bilgi miktarını yükseltmek için yardımcı bir kubit kullandılar.
Her camın hacmini ikiye katlamak gibidir; 20 mL’lik bir farkın gözlemlenmesi 10 ml’lik bir farktan daha kolay olacaktır. Cevapta daha fazla güven verir. Bu işlem devam ederse ve bilgi miktarı sürekli artarsa, cevap vermeye yönelik süre azalır.
“Analojiye devam etmek, ikinci bir yardımcı kubit eklemek, hacimleri 300 ml ve 270 ml’ye üç katına çıkaracak, bu da 0.66 saniyede güvenle ayırt edebileceksiniz.
Uzay için işlem süresi
Araştırmacıların şeması, hata düzeltmesi için tekrarlama kodlarını kullanan önceki protokollere dayanmaktadır. Bu yöntem, yardımcı kubitlere (ölçümün yapılacağı) hedef kubiti dolaşır.
Daha spesifik olarak, hedef kubit, N-1 yardımcı kubitlerle dolaşır. Hedef kubit’ten gelen bilgiler daha sonra sözde CNOT kapıları kullanılarak tüm yardımcı kubitlere kopyalanır.
İşte inovasyon burada yatıyor. T süresi için hedef kubbiti ölçmek yerine, tüm n kubitler (hedef ve yardımcı) T/N süre boyunca eşzamanlı olarak ölçülür. Daha sonra tüm ölçümler, daha uzun bir ölçümle aynı istatistiksel güven sağlayan birleşik bir sonuç için eklenir.
Alan (kullanılan kubit sayısı) zaman için işlem görüyor. Beş saniye boyunca tek bir kubit ölçümü, beş kubitin aynı anda bir saniye ölçülmesi ile aynıdır.
Corlett, “Dikkat çekici bir şekilde, bu, bir ölçümün kalitesinin, hızlandırılsa bile korunmasına veya geliştirilmesine izin veriyor. Şema, soğuk atomlar, hapsolmuş iyonlar ve süper iletken kubitler dahil olmak üzere çok çeşitli önde gelen kuantum donanım platformları için yaygın olarak uygulanabilir.” Dedi.
Gürültüye Karşı Sağlam
Araştırmacılar şemalarını önce ideal koşullarda gürültü ve daha sonra gerçekçi gürültü modelleri ile araştırdılar. İdeal kasanın kubit sayısı ile mükemmel bir doğrusal hız gösterdiğini buldular.
Gürültü modelleri de önemli bir hız gösterdi ve bazen doğrusal iyileştirmeden daha iyi oldu. Araştırmacılar, yaklaşımlarının daha önce mümkün olandan daha yüksek maksimum ölçüm kalitesi elde edebileceğini gösterdiler.
Profesör Linden, “Şemamızın bu gürültüye karşı sağlam olduğundan emin olmak inanılmaz derecede önemlidir, çünkü gürültünün kaçınılmaz olduğu gerçek dünya uygulaması için yararlı olmasını sağlar.” Dedi.
Araştırmacılar, planlarının deneysel uygulanmasını görmeye istekli ve süper iletken kubitler gibi belirli sistemler için daha ayrıntılı olarak geliştirmek için çalışıyorlar.
