Kuantum kodunun daha az keşfedilmiş biçimi, hata düzeltmedeki alternatifinden daha güçlü ve daha kararlı olabilir

Matematikte ve giyinmede bazı süreçler değişmeli iken bazıları değişmeli değildir. Değişmeli, sıranın önemli olmadığı anlamına gelir (3 + 2, 2 + 3 ile aynıdır ve hangi çorabın önce girdiği önemli değildir). Değişmeyen, sıranın önemli olduğu anlamına gelir.

UChicago Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu (UChicago PME) yardımcı doçenti Ruben Verresen, “Önce çorabınızı, sonra ayakkabınızı giyerseniz, bu, ayakkabınızı ve sonra çorabınızı giymekle aynı şey değildir” dedi. “Bu değişmezliktir.”

UChicago PME’nin bu çorap kuralını kübit dünyasına uygulayan yeni teorik araştırması, sıranın önemli olduğu değişmeli olmayan veya “Abelian olmayan” kuantum kodlarının, yalnızca Abelian koduna dayalı olanlardan daha güçlü değil, aynı zamanda daha kararlı olan kuantum bilgisayarlar yaratabileceğini gösteriyor.

‘da yayınlanan bir makalede Fiziksel İnceleme Mektupları, Ekip, Abelian olmayan sistemlerin, belirli bir gürültü türü için karşılaştırılabilir Abelian sistemlerden yaklaşık %38 daha yüksek bir gürültü eşiğine (kuantum ölçekli girişimi tolere etme yeteneği) sahip olabileceğini buldu.

UChicago PME Ph.D. “Bununla çalışmak Abel kodundan daha zor, ancak diğer yandan bunun bize birçok fayda sağladığını da biliyoruz” dedi. Öğrenci Rossoneri Jing, çalışmanın ilk yazarı. “Abelian olmayan mimarinin tamamı şu anda çok az gelişmiş durumda. Yani faydaları olduğunu biliyoruz, ancak Abelian olmayanın ne kadar güçlü veya ne kadar baş ağrısı olabileceğini henüz tam olarak bilmiyoruz.”

Jing, kuantum teorisyenlerinin daha önce Abelyen olmayan kuantum kodlarını hesaplama için güçlü bir seçenek olarak gördüklerini, ancak karmaşıklıklarının bu alanı nispeten keşfedilmemiş bıraktığını söyledi. Her şeyi tam olarak doğru sırayla yapmak zorunda olmadığınızda, bu karmaşık kuantum mimarilerini yaratmak yeterince zor.

Eş muhabir yazar Verresen, “Kuantum şirketlerinin çoğu ve birçok araştırma grubu, çok özel bir mimariye, yüzey kodu veya torik kod adı verilen özel bir kod türüne odaklandı” dedi. “Fakat olası dolaşık durumların daha geniş manzarasında bunun çok özel bir köşe olduğu ortaya çıktı. Prensip olarak daha güçlü kod türleri olarak hizmet edebilecek daha egzotik ve ilginç türde dolaşık durumlar var.”

Abelyen olmayan kodlar, daha güçlü olmalarının yanı sıra daha kararlı da olabilir; doğası gereği, araştırmacıların hassas kuantum durumlarını riske atmadan hataları düzeltmelerine yardımcı olabilecek bilgiler verebilir. Çünkü kuantum hata düzeltmesinde az miktarda bilgi tehlikeli bir şeydir.

Gözlemci efektleri

Bilgileri kuantum bilgisayarda depolayan kod, bilgilerin doğru olduğundan emin olmak için yerleşik artıklıklara sahiptir. “Kontroller” fazlalıklara karşılık gelir. İşten çıkarmalar gibi kontroller de aynı olmalıdır. Farklıysa bir şeyler ters gitti demektir.

Jing, “Bu kontrolleri ölçüyoruz ve onlar bize bir hatanın olup olmadığını söyleyecekler” dedi.

Ancak kontrol etme eylemi, her şeyi mahvetme riskini taşıyabilecek bilgiler sağlar.

Kuantum süperpozisyonu, nesnelerin aynı anda birden fazla durumda var olduğu hassas bir danstır. Bir sorunun cevabı “evet” veya “hayır” değil, “evet/hayır”dır. Gözlemlemek (sistemi ölçme eyleminin kendisi) dansı kesintiye uğratır, kuantum terimleriyle “dalga fonksiyonunun çökmesine” ve tek bir duruma düşmesine neden olur. Cevap kesin bir evet ya da hayır olur; Schrödinger’in kedisi ya ölüdür ya da diridir.

Hata düzeltmede araştırmacılar sorunu bulmaya yetecek kadar öğrenmek isterler, ancak dalga fonksiyonunu çökertecek kadar değil.

Verresen, “Çok fazla şey öğrenmek istemiyoruz, buradaki fikir şu ki, durum hakkında her şeyi öğrenmeye çalışırsanız, onu çökertirsiniz, çünkü kuantum dolaşıklık biraz titizlik gerektirir,” dedi Verresen. “Ne kadar öğrenmek istediğiniz ya da ne kadar öğrenmek istediğiniz arasında hassas bir denge var. olabilmek incitmeden öğren.”

İçsel müjdeleme

Abelian sistemlerinde hata düzeltme, genellikle kontrolleri ihlal etmekten sorumlu şüphelileri belirlemeye yardımcı olmak için “bayrak kübitleri” oluşturmayı içerir. Daha fazla iş var; Verresen bunları “ekstra özellikler” olarak adlandırdı.

Ancak Abelyen olmayan sistemlerde, çevre ile gürültülü etkileşimler, Abelyen olmayan anyonlar olarak adlandırılan, parçacık benzeri kontrol ihlallerinin ortaya çıkmasına neden olur. Genellikle ilave bir komplikasyon olarak görülürler; Abelyen olmayan sistemlerin başka bir baş ağrısı.

UChicago PME ekibi, Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden ortak yazar Pablo Sala de Torres-Solanot ile birlikte anyonların bayrak olarak kullanılabileceğini fark etti. Ekip, kusurlu herhangi bir dizenin geride bıraktığı bilgileri kullanarak, “içsel müjdeleme” adını verdiği bir yaklaşım geliştirdi.

Verresen, “Bu ekstra bilgiyi öğrenmek için fazladan zil ve ıslık çalmamıza gerek yoktu. Bu sadece Abel olmayan kodun doğasından geliyor” dedi.

Bu, araştırmacıların dalga fonksiyonunun çökmesi riski olmadan çalışabileceği bilgileri sağlar ve Abelyen olmayan sistemleri en azından belirli gürültü türleri için teorik olarak daha kararlı hale getirir.

Yazarlardan biri olan UChicago PME profesörü Liang Jiang, “Siz depolanan bilgileri onarılamaz şekilde kaybetmeden önce sistemin tolere edebileceği bir gürültü eşiği var” dedi. “Bu içsel müjdenin bu eşiği yükselttiğini bulduk. Bu, Abelyen olmayan özelliklerin, uzun süredir varsayıldığı gibi azalmadığını, aksine aslında istikrarı arttırdığını gösteriyor.”

Jing, bu teorinin hala deneysel olarak doğrulanması gerektiğini ancak kuantum hesaplama ve teknolojileri için yeni bir dünyanın kapılarını açabileceğini söyledi.