AI & computing › Kwantumcomputing & AI-hybrides
Kwantumfoutcorrectie werkt ook op chip die er niet voor ontworpen is
Onderzoekers van de University of Southern California en het bedrijf Quantum Elements laten zien dat een populaire foutcorrectiemethode voor kwantumcomputers ook werkt op hardware die er eigenlijk niet geschikt voor is. Ze demonstreerden logische qubits op IBM's Heron-processors, ondanks een mismatch tussen de vorm van de foutcorrectiecode en de laagout van de chip.
Kwantumcomputers maken veel fouten. Qubits, de rekeneenheden van een kwantumchip, zijn extreem gevoelig voor storingen uit hun omgeving. Om toch betrouwbare berekeningen te kunnen doen, groeperen onderzoekers meerdere fysieke qubits tot één logische qubit die fouten kan opvangen. Een veelgebruikte methode daarvoor is de oppervlaktecode, die is ontworpen voor qubits die in een vierkant rooster met elkaar verbonden zijn.
Vierkant ontwerp op een zeshoekige chip
Het probleem: IBM's Heron-processors gebruiken geen vierkant rooster, maar een zogeheten heavy-hex-architectuur, waarbij qubits via een zeshoekig patroon met elkaar verbonden zijn. Dat maakt de chip efficiënter te bouwen, maar minder geschikt voor de oppervlaktecode. Om de code toch op deze hardware te laten draaien, moesten de onderzoekers extra verbindingen omleiden. Dat kost tijd, en tijd waarin qubits niets doen is precies het moment waarop fouten zich opstapelen.
Ruis wegpoetsen tijdens wachttijd
Om dat op te lossen combineerden de onderzoekers een compacte versie van de oppervlaktecode met dynamische ontkoppeling: een techniek die met gerichte pulsen voorkomt dat qubits in stilstand hun informatie verliezen. Die combinatie bleek essentieel. Naarmate de onderzoekers de code in één richting lieten groeien, werd de bescherming tegen het bijbehorende type fout steeds beter, tot voorbij de zogenoemde drempelwaarde waarop foutcorrectie daadwerkelijk winst oplevert. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications en uitgevoerd door onder anderen Daniel Lidar, wetenschappelijk directeur bij Quantum Elements en hoogleraar aan de USC, en onderzoeker Arian Vezvaee.
Meer vrijheid voor chipontwerpers
Het resultaat is meer dan een technisch detail. Als foutcorrectiecodes alleen zouden werken op hardware die precies naar hun ontwerp is gebouwd, zouden chipmakers gedwongen worden om andere technische keuzes ondergeschikt te maken aan die ene eis. Doordat de oppervlaktecode nu ook op een niet-passende architectuur resultaat oplevert, houden ontwikkelaars van supergeleidende chips meer ruimte om te optimaliseren op andere vlakken, zoals verbindingsdichtheid of productiegemak. Lidar noemt de combinatie van ontkoppeling en foutcorrectie daarom een aanpak die naar verwachting ook in toekomstige processors beter zal presteren dan beide technieken los van elkaar. Quantum Elements-directeur Izhar Medalsy noemt het werk een eerste stap naar verstrengelde logische qubits, waarover het bedrijf naar eigen zeggen binnenkort meer details bekendmaakt op weg naar fouttolerante kwantumcomputers.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze demonstratie laat zien dat foutcorrectie op kwantumchips niet vastzit aan één specifiek hardwareontwerp, wat chipmakers meer vrijheid geeft om processors te optimaliseren zonder in te leveren op betrouwbaarheid. Dat kan de weg vrijmaken voor bredere inzet van bestaande supergeleidende architecturen richting werkelijk fouttolerante kwantumcomputers.
- Oppervlaktecode
- Een foutcorrectiemethode voor kwantumcomputers waarbij meerdere fysieke qubits in een rooster samen één betrouwbare logische qubit vormen.
- Logische qubit
- Een foutbestendige rekeneenheid die is opgebouwd uit meerdere fysieke qubits, zodat individuele fouten kunnen worden opgespoord en gecorrigeerd.
- Heavy-hex-architectuur
- De zeshoekige verbindingsstructuur die IBM gebruikt in zijn Heron-processors, waarbij elke qubit met minder buren verbonden is dan in een vierkant rooster.
- Dynamische ontkoppeling
- Een techniek waarbij gerichte pulsen op qubits worden toegepast om te voorkomen dat ze tijdens inactieve periodes hun kwantuminformatie verliezen door omgevingsruis.
- Codeafstand
- Een parameter die aangeeft hoeveel fysieke qubits worden gebruikt om één logische qubit te beschermen; een grotere afstand betekent doorgaans betere foutbescherming.
- Drempelwaarde
- Het punt waarop foutcorrectie daadwerkelijk voordeel oplevert: onder deze grens veroorzaakt de correctiemethode zelf meer fouten dan ze oplost.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
