Многообещающее квантовое состояние обнаружено в ходе исследования по исправлению ошибок

Оконное стекло на микроскопическом уровне демонстрирует странное сочетание свойств. Как и в жидкости, ее атомы неупорядочены, но, как и в твердом теле, ее атомы тверды, поэтому сила, приложенная к одному атому, заставляет их все двигаться.

Эту аналогию физики используют для описания сколько состояние называемое «квантовым спиновым стеклом», в котором квантово-механические биты (кубиты) в квантовом компьютере демонстрируют как беспорядок (принимающие, казалось бы, случайные значения), так и жесткость (когда один кубит переворачивается, то же самое делают и все остальные). Группа исследователей Корнелла неожиданно обнаружила наличие этого квантового состояния во время исследовательского проекта, призванного узнать больше о квантовых алгоритмах и, соответственно, о новых стратегиях ошибка коррекция в квантовых вычислениях.

«Измерение положения квантовой частицы меняет ее импульс и наоборот. Точно так же для кубитов существуют величины, которые меняют друг друга при их измерении. Мы обнаруживаем, что определенные случайные последовательности этих несовместимых измерений приводят к образованию квантового спина. стекло», — сказал Эрих Мюллер, профессор физики Колледжа искусств и наук (A&S). «Одним из последствий нашей работы является то, что некоторые типы информации автоматически защищаются с помощью квантовых алгоритмов, которые разделяют особенности нашей модели».

“Симметрия подсистемы, порядок спинового стекла и критичность по случайным измерениям в двумерной схеме Бэкона-Шораопубликовано 31 июля в Физический обзор B. Ведущий автор — Вайбхав Шарма, докторант физики.

Доцент кафедры физики Чао-Мин Цзянь (A&S) является соавтором вместе с Мюллером. Все трое проводят свои исследования в Корнеллской лаборатории атомной физики и физики твердого тела (LASSP).

«Мы пытаемся понять общие особенности квантовые алгоритмы— особенности, выходящие за рамки каких-либо конкретных алгоритм«Наша стратегия выявления этих универсальных особенностей заключалась в изучении случайных алгоритмов. Мы обнаружили, что определенные классы алгоритмов приводят к скрытому порядку «спинового стекла». Сейчас мы ищем другие формы скрытого порядка и думаем, что это приведет нас к новой таксономии квантовых состояний».

Случайные алгоритмы — это те, которые включают в себя определенную степень случайности как часть алгоритма, например, случайные числа, позволяющие решить, что делать дальше.

Предложение Мюллера о гранте New Frontier 2021 года «Автономная коррекция ошибок квантовой подсистемы» было направлено на упрощение архитектур квантовых компьютеров путем разработки новой стратегии исправления ошибок квантового процессора, вызванных шумом окружающей среды, то есть любым фактором, например космические лучи или магнитные поля, которые будут мешать работе кубитов квантового компьютера, искажая информацию.

Биты классических компьютерных систем защищены кодами, исправляющими ошибки, сказал Мюллер; информация реплицируется так, что если один бит «перевернется», вы сможете обнаружить это и исправить ошибку. “Для квантовые вычисления чтобы быть работоспособными сейчас и в будущем, нам нужно найти способы защитить кубиты таким же образом».

«Ключ к исправление ошибки «Это избыточность», — сказал Мюллер. «Если я отправлю три копии бита, вы сможете определить, есть ли ошибка, сравнив биты друг с другом. Для обсуждения таких стратегий мы заимствуем язык из криптографии и называем повторяющийся набор битов «кодовым словом».

Когда Мюллер и его команда сделали свое открытие о порядке спинового стекла, они изучали обобщение, в котором для представления одной и той же информации используется несколько кодовых слов. Например, в коде подсистемы бит «1» может храниться четырьмя различными способами: 111; 100; 101; и 001.

«Дополнительная свобода, которую имеют коды квантовых подсистем, упрощает процесс обнаружения и исправления ошибок», — сказал Мюллер.

Исследователи подчеркнули, что, когда начали это исследование, они не просто пытались создать лучшую схему защиты от ошибок. Скорее, они изучали случайные алгоритмы, чтобы изучить общие свойства всех таких алгоритмов.

«Интересно, что мы обнаружили нетривиальную структуру», — сказал Мюллер. «Самым драматичным было существование порядка спинового стекла, который указывает на наличие некоторой дополнительной скрытой информации, которая должна быть каким-то образом использована для вычислений, хотя мы пока не знаем, как это сделать».