Forskere fra Rutgers University, IBM og flere samarbeidende institusjoner har demonstrert en metode for å begrense kaotisk oppførsel i en kvanteprosessor. Resultatene er publisert i tidsskriftet Nature Physics, og viser en tydelig overgang mellom en kaotisk og en kontrollert kvantetilstand.

Forsøket ble gjennomført på IBMs kvanteprosessor Quantum Heron, som har 156 kvantebiter, også kalt kubiter. Forskerne brukte en sammenkoblet krets med opptil 100 kubiter og aktiverte to prosesser som konkurrerte med hverandre.

Måling og nullstilling mot informasjonskaos

Kvantedatamaskiner behandler informasjon på en annen måte enn tradisjonelle datamaskiner. Kubiter kan befinne seg i en superposisjon av tilstander, noe som gir dem egenskaper klassiske biter ikke kan gjenskape direkte. Samtidig er tilstandene svært sårbare for påvirkning fra omgivelsene og feil i maskinvaren.

Feil kan hope seg opp mens en beregning pågår, og gjøre sluttresultatet upålitelig. Derfor må forskere utvikle systemer som kan oppdage og korrigere feil underveis. Denne tilnærmingen kalles kvantefeilkorrigering og er grunnlaget for kvantedatamaskiner som skal tåle feil over tid.

Den ene prosessen i eksperimentet spredte informasjon mellom nabokubiter og økte uordenen i systemet. Den andre målte utvalgte kubiter gjentatte ganger og nullstilte dem til en forhåndsbestemt tilstand.

Forskerne gjennomførte nesten 5000 operasjoner på to kubiter og nesten 5000 sykluser med måling og nullstilling. Det gjorde det mulig å undersøke om gjentatte inngrep kunne stanse spredningen av informasjon gjennom systemet.

En skarp overgang ved nesten perfekt balanse

Forskerne endret hvor ofte de to prosessene ble utført. Når informasjonsspredningen dominerte, forble systemet kaotisk. Hyppigere målinger og nullstillinger drev det derimot mot en mer ordnet og kontrollerbar tilstand.

De tydeligste endringene oppsto nær en 50–50-balanse mellom prosessene. En liten endring i det relative forholdet kunne utløse en dramatisk forandring i hele systemet. Fysikere omtaler dette som en faseovergang – en kollektiv endring i systemets oppførsel som kan sammenlignes med når vann fryser til is.

Justin Wilson, førsteamanuensis i fysikk ved Louisiana State University og en av studiens medforfattere, forklarte at tilfeldige inngrep kan undertrykke en ellers uforutsigbar oppførsel. Forskerne konkluderte også med at overgangen består i kvantesystemet, selv om det tidligere var uklart om effekten ville overleve i en slik skala.

Resultatene samsvarte med teoretiske beregninger. Overgangen ble tydeligere da forskerne analyserte større systemer, noe som tyder på at effekten ikke bare gjelder små, eksperimentelle kvantekretser.

Kan gi løpende feilkorrigering

Tilbakemelding i sanntid kan på sikt hjelpe kvanteprosessorer med å kontrollere feil under lange beregninger. I motsetning til en enkelt korrigering må en feiltolerant maskin kunne gjenta slike inngrep mange ganger uten å ødelegge informasjonen som behandles.

IBM-forsker Maika Takita sa at eksperimentet koordinerte kvanteoperasjoner, målinger og nullstillinger tusenvis av ganger i et stort system. Hun beskrev dette som et viktig skritt i retning av praktisk feilkorrigering.

Teamet undersøkte også systemer som var større enn det forskerne kunne simulere med tradisjonelle datamaskiner. Sammenligningen styrket tilliten til den teoretiske forklaringen. I tillegg til Rutgers University, IBM og Louisiana State University deltok forskere fra City College of New York, Iowa State University, Pennsylvania State University og andre institusjoner.

Demonstrasjonen beviser ikke at det allerede er bygget en fullt feiltolerant kvantedatamaskin. Den viser likevel at dagens maskinvare kan gripe inn gjentatte ganger i et kvantesystem mens operasjonene fortsetter. Det bringer kvanteberegning nærmere et sentralt teknisk mål: skalerbar og praktisk anvendelig kontroll av feil.