Rutgers en IBM melden realtime terugkoppelingsbesturing over 100 qubits
Onderzoekers van Rutgers, IBM en partnerinstellingen gebruikten een 156-qubit Heron-chip om herhaalde metingen en resets over maximaal 100 qubits te demonstreren.
Deze pagina is vertaald vanuit het Engels. Bedrijfs- en productnamen en bronlinks zijn ongewijzigd. Lees het origineel in het Engels
Onderzoekers van Rutgers, IBM en verschillende partnerinstellingen zeggen dat zij realtime quantumterugkoppeling hebben gedemonstreerd over maar liefst 100 qubits, met herhaalde metingen en resets terwijl een processor bleef draaien. Volgens de aankondiging werd het werk uitgevoerd op een 156-qubit IBM Quantum Heron-processor en beschreven in een studie die is gepubliceerd in Nature Physics. Het resultaat pakt een kernvereiste aan voor fouttolerant quantumcomputing: het vermogen om delen van een systeem te monitoren en herhaaldelijk in te grijpen zonder de berekening te stoppen.
Wat werd aangekondigd
Het team zegt dat het een gekoppelde keten van maximaal 100 qubits op IBM’s Heron-hardware heeft gebruikt om te testen of een quantumprocessor in realtime kon afwisselen tussen twee gedragingen: informatie verspreiden over naburige qubits en individuele qubits meten en vervolgens resetten om die verspreiding te onderdrukken.
In totaal omvatte het experiment volgens het rapport bijna 5.000 twee-qubitoperaties en bijna 5.000 metingen en resets. De onderzoekers omschrijven het als de tot nu toe grootste succesvolle demonstratie van dit type op terugkoppeling gebaseerde besturing.
Rutgers-hoogleraar Jedediah Pixley, een van de hoofdauteurs, zei dat het veld dergelijke controles en correcties tijdens een berekening vele malen zal moeten uitvoeren om fouttolerantie te bereiken. IBM-hoofdauteur Maika Takita zei dat de uitdaging was om metingen te herhalen terwijl de rest van de processor in bedrijf bleef, in plaats van het systeem te pauzeren.
De technische details
Het experiment zette een competitie op tussen twee processen. Het ene proces verspreidde informatie onder naburige qubits en creëerde steeds chaotischere dynamica. Het andere proces mat geselecteerde qubits en resette ze, waardoor het systeem werd gestuurd naar een geordende toestand die door de onderzoekers was gekozen.
Door te variëren hoe vaak elk proces voorkwam, observeerde het team drempelgedrag. Wanneer de verspreiding meer dan de helft van de tijd plaatsvond, bleef het systeem chaotisch. Wanneer controleren en resetten de overhand hadden, ging het systeem over in een bestuurbaar geordend regime. Bij een ongeveer gelijke balans zorgde een kleine verschuiving in de snelheid van de twee processen voor een abrupte verandering in het systeem.
Volgens de onderzoekers komt die scherpe verandering overeen met het beeld van een faseovergang: het quantumsysteem schakelt collectief van chaos naar controle. Co-eerste auteur Haining Pan zei dat de overgang scherper afgebakend werd naarmate het team grotere systemen bestudeerde, en dat de experimentele gegevens overeenkwamen met de theoretische verwachtingen.
Het rapport merkt ook op waarom het resultaat relevant is voor foutcorrectie. Quantuminformatie kan niet eenvoudig worden gekopieerd, en meting kan de toestand waarop wordt gerekend verstoren. Een praktisch fouttolerant systeem moet daarom herhaaldelijk fouten kunnen detecteren en corrigeren, terwijl de gecodeerde informatie behouden blijft.
Waarom het ertoe doet
De aankondiging presenteert het resultaat zowel als een demonstratie in de natuurkunde als een mijlpaal in systeemengineering. Aan de kant van de natuurkunde ondersteunt het een theoretische voorspelling dat herhaalde ingrepen een overgang kunnen veroorzaken van ongecontroleerde quantumdynamica naar een geordend, bestuurbaar regime. Aan de hardwarekant laat het zien dat hedendaagse supergeleidende hardware duizenden keren quantumpoorten, metingen en resets kan coördineren over een groot apparaat.
Dat betekent niet dat fouttolerant quantumcomputing is bereikt. Het rapport merkt expliciet op dat nog niemand een fouttolerante quantumcomputer heeft gebouwd. Maar het vermogen om op schaal herhaalde meet-en-resetcycli uit te voeren is wel een van de operationele bouwstenen die zulke systemen nodig zullen hebben.
Waar je op moet letten
De volgende vraag is hoe technieken als deze zich laten vertalen naar volledige foutcorrectieprotocollen in plaats van gecontroleerde natuurkundige experimenten. De studie suggereert dat IBM’s dynamic-circuitmogelijkheden lange reeksen van verweven operaties op grote subsets van qubits kunnen volhouden, wat relevant is voor toekomstige demonstraties van logische qubits.
Aan de samenwerking namen onderzoekers deel van Rutgers, IBM, the City College of New York, het CUNY Graduate Center, Iowa State University, Ames National Laboratory, Pennsylvania State University en Louisiana State University. Zoals in de aankondiging wordt gemeld, stelde de processor het team in staat systemen te bestuderen die veel groter waren dan de ongeveer twee dozijn qubits die zij op conventionele computers konden simuleren.
Bronnen
De feiten op deze pagina zijn afkomstig uit onderstaande bronnen, verzameld door DesignQuantum.
- Rutgers And IBM Demonstrate Real-Time Control Across 100 Qubits thequantuminsider.com