Nordita-forskare spelar nyckelroll i att kartlägga dolda fel i kvantdatorer

Forskarna, ledda av Dr Christina Giarmatzi vid Macquarie University, upptäckte att de små fel som kvantdatorer störs av, inte bara uppstår slumpmässigt. I stället kan de dröja kvar, utvecklas och till och med länkas samman över olika ögonblick i tiden. Dessa felmönster skapar en form av ”minne” som kopplar ihop olika tidspunkter. Många metoder utgår från att fel saknar sådant minne, men denna studie visar att så inte är fallet.

Denna typ av beteende är ett av de största hindren för att bygga praktiskt användbara, storskaliga kvantdatorer.

– Vi har kunnat rekonstruera utvecklingen av en hel kvantprocess över flera tidpunkter — något som inte gjorts tidigare, säger Dr Giarmatzi. Det gör att vi inte bara kan se när brus uppstår, utan också hur det förs vidare genom tiden.

Genombrottet banar väg för mer avancerade sätt att modellera, förutsäga och korrigera fel i kvantsystem, inte bara i supraledande chip utan även i till exempel fångade joner och spinnkvantbitar.

– Vi har öppnat ett nytt fönster mot hur kvantsystem beter sig över tid när deras fel är korrelerade, säger Dr Giarmatzi. Det är avgörande om vi vill att kvantdatorer ska bli verkligt användbara och felfria.

Norditas bidrag

En central del av projektet byggde på en metod utvecklad av Dr Fabio Costa och hans medarbetare. De löste ett långvarigt hinder: hur man kan förbereda godtyckliga kvanttillstånd efter en mätning mitt i en krets. Utan denna metod kunde tidigare experiment inte följa hur kvantfel utvecklas över tid. Genombrottet gjorde det möjligt för teamet att skapa en fullständig bild av felens dynamik inuti en kvantdator.

– Hårdvaran klarade det, säger Dr Costa. Det vi kom på var hur man faktiskt förbereder systemet efter en mätning mitt i kretsen.

Experiment på verklig kvantdatorhårdvara

För att uppnå detta genomförde teamet en serie experiment på avancerade supraledande kvantprocessorer — några i laboratoriet vid University of Queensland och andra via IBMs molnbaserade kvantdatorer. Tidigare försök att kartlägga kvantsystem över tid fastnade på samma problem: efter att ha mätt ett kvantsystem mitt i experimentet kunde forskarna inte ställa in det på nytt för nästa steg, eftersom inställningen berodde på om mätresultatet var 0 eller 1.

Den nya metoden löser detta genom ett smart grepp: att anta att resultatet var 1 i 50 procent av fallen och 0 i de andra 50 procenten, och sedan använda mjukvara för att arbeta bakåt från datan och lista ut vilket tillstånd systemet faktiskt befann sig i.

Mot tillförlitliga, felfria kvantdatorer

Forskarna fann att även dagens bästa kvantdatorer uppvisar subtila men viktiga tidslänkade brusmönster — inklusive brus som är kvantmässigt till sin natur och som kommer från närliggande kvantbitar på samma chip.
Att förstå dessa mönster kommer att hjälpa kvantforskare att utveckla bättre metoder för karakterisering och felkorrigering, ett avgörande steg mot att bygga tillförlitliga och felfria kvantdatorer.

– Det är givande när teoretiska modeller kan föras till liv i verklig hårdvara, och särskilt när de kan bidra till att utveckla hårdvaran i sig, säger Tyler Jones, som arbetade med projektet som doktorand vid University of Queensland.

Forskargruppen har gjort sin experimentella data och kod öppet tillgänglig, och hela studien publiceras i tidskriften Quantum.