Forscher der Cornell University haben im Quantencomputing einen „Quantenspinglas“-Zustand entdeckt, der Einblicke in die Fehlerkorrektur liefert und verborgene Anweisungen in Quantenalgorithmen aufdeckt, was möglicherweise zu neuen Quantenzustandsklassifizierungen und Fortschritten im Quantencomputing führt.
Auf mikroskopischer Ebene weist Fensterglas eine merkwürdige Mischung von Eigenschaften auf. Seine Atome sind ungeordnet wie eine Flüssigkeit, haben aber die Starrheit eines Festkörpers; Wenn eine Kraft auf ein Atom ausgeübt wird, wirkt sie sich auf alle anderen Atome aus. Physiker verwenden diese Metapher, um einen Quantenzustand zu beschreiben, der als „Quantenspinglas“ bekannt ist und in dem die quantenmechanischen Bits (Qubits) in Quantencomputern sowohl Unordnung (mit scheinbar zufälligen Werten) als auch Starrheit (wenn ein Qubit umkippt, ändern sich auch alle anderen Qubits) aufweisen. Ein Forscherteam der Cornell University entdeckte zufällig die Existenz dieses Quantenzustands, als es an einem Forschungsprojekt arbeitete, das darauf abzielte, Quantenalgorithmen und damit verbundene neue Strategien zur Fehlerkorrektur im Quantencomputing besser zu verstehen.
„Die Messung der Position eines Quantenteilchens verändert seinen Impuls und umgekehrt. Ebenso gibt es bei Qubits Größen, die sich gegenseitig ändern, wenn sie gemessen werden. Wir haben herausgefunden, dass bestimmte zufällige Sequenzen dieser inkompatiblen Messungen zur Bildung von Quantenspinglas führen können“, sagte Erich Mueller, Professor für Physik am College of Arts and Sciences (A&S) der Cornell University. „Eine Implikation unserer Arbeit ist, dass bestimmte Arten von Informationen in Quantenalgorithmen, die Eigenschaften mit unserem Modell teilen, automatisch geschützt werden.“
Die Forschung wurde kürzlich in Physical Review B veröffentlicht. Der Erstautor ist Vaibhav Sharma, ein Ph.D. Student der Physik.
Chaoming Jian, Assistenzprofessor für Physik, ist Co-Autor von Mueller. Alle drei forschen am Laboratory of Atomic and Solid-state Physics (LASSP) der Cornell University. Diese Forschung wurde durch ein Stipendium des New Frontiers Fund des College of Arts and Sciences unterstützt.
„Wir versuchen, die universellen Eigenschaften von Quantenalgorithmen zu verstehen – Eigenschaften, die über jeden einzelnen Algorithmus hinausgehen“, sagte Sharma. „Unsere Strategie zur Entdeckung dieser universellen Eigenschaften besteht darin, stochastische Algorithmen zu untersuchen. Wir haben herausgefunden, dass bestimmte Klassen von Algorithmen zu einer verborgenen ‚Spin-Glas‘-Ordnung führen. Wir suchen nun nach anderen Formen verborgener Ordnung und glauben, dass uns dies eine neue Taxonomie von Quantenzuständen liefern wird.“
Ein randomisierter Algorithmus ist ein Algorithmus, der ein gewisses Maß an Zufälligkeit als Teil des Algorithmus beinhaltet – zum Beispiel die Verwendung von Zufallszahlen, um zu entscheiden, was als nächstes zu tun ist.
Fortschritte in der Quantenfehlerkorrektur
Muellers New Frontiers-Zuschussantrag 2021 mit dem Titel „Autonomous Quantum Subsystem Error Correction“ zielt darauf ab, die Quantencomputerarchitektur zu vereinfachen, indem eine neue Strategie zur Korrektur von Quantenprozessorfehlern entwickelt wird, die durch Umgebungsrauschen verursacht werden – alles wie kosmische Strahlung oder Magnetfelder, die die Qubits eines Quantencomputers stören und Informationen verfälschen.
Mueller sagte, dass die Bits in klassischen Computersystemen durch fehlerkorrigierende Codes geschützt seien; Die Informationen werden kopiert, sodass Sie es erkennen und den Fehler beheben können, wenn ein Bit „umkippt“. „Damit Quantencomputing jetzt und in Zukunft funktioniert, müssen wir Möglichkeiten finden, Qubits auf die gleiche Weise zu schützen. Der Schlüssel zur Fehlerkorrektur ist Redundanz. Wenn ich drei Kopien eines Bits sende, kann man erkennen, ob ein Fehler vorliegt, indem man die Bits miteinander vergleicht. Wir leihen uns die Sprache der Kryptographie, um über diese Strategie zu sprechen, und nennen wiederholte Sätze von Bits ‚Chiffren‘.“
Als Muller und sein Team die Spin-Glas-Ordnung entdeckten, arbeiteten sie an einem allgemeinen Ansatz zur Verwendung mehrerer codierter Wörter zur Darstellung derselben Informationen. Beispielsweise kann Bit „1“ in einem Subsystemcode auf vier verschiedene Arten gespeichert werden: 111, 100, 101 und 001. Die zusätzlichen Freiheitsgrade im Code des Quantensubsystems vereinfachen den Prozess der Fehlererkennung und -korrektur.
Die Forscher betonten, dass es ihnen zu Beginn dieser Studie nicht nur darum ging, ein besseres Fehlerschutzsystem zu entwickeln. Stattdessen untersuchen sie stochastische Algorithmen, um die allgemeinen Eigenschaften aller dieser Algorithmen zu verstehen.
„Interessanterweise haben wir außergewöhnliche Strukturen gefunden“, sagte Müller. „Das Auffälligste ist das Vorhandensein dieser Spin-Glas-Ordnung, was darauf hindeutet, dass einige zusätzliche versteckte Informationen im Umlauf sind, die irgendwie in Berechnungen verwendet werden sollten, obwohl wir noch nicht wissen, wie.“
Referenz Vaibhav Sharma, Chao-Ming Jian und Erich J. Mueller, 31. Juli 2023, Physical Review B, „Subsystemsymmetrie, Spinglasordnung und Kritikalität stochastischer Messungen in zweidimensionalen Beken-Shaw-Schaltkreisen.“
DOI:10.1103/PhysRevB.108.024205
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily