Smart algoritme fører til ny metode til at reducere støj i kvanteenheder

Støj er den "usynlige fjende" i arbejdet med at få kvanteenheder til at fungere. Visse kvanteenheder bruger kvantebits (qubits) – den centrale komponent i enhver kvanteprocessor – og de er ekstremt følsomme over for selv små forstyrrelser i deres omgivelser.

Et samarbejde mellem forskere fra Niels Bohr Institutet, MIT, NTNU og Leiden Universitet har nu resulteret i en metode til at håndtere støjen effektivt. Resultatet er offentliggjort i PRX Quantum

Dekohærens i kvantetilstande – hvad er det?

Støj i kvanteenheder forstås generelt som alt, der forstyrrer eller ændrer den tilstand, man forsøger at gemme, manipulere eller aflæse. Det kaldes ofte dekohærens (eng: decoherence).

Kvanteenheder kan opnå ekstremt høj præcision og følsomhed – langt højere end i klassisk fysik – og de lover store fremskridt: Øget præcision i medicinsk udstyr, bedre diagnostik, kvantesimuleringer af molekyler og lægemidler, forbedret sikkerhed i informationsteknologi og markant hurtigere databehandling.

Men der er en pris at betale: En langt højere risiko for dekohærens – og dermed risikoen for slet ingen ny information, hvis støjen ikke håndteres.

Dekohærens kan håndteres på flere måder

Støj kan skyldes elektriske eller magnetiske udsving i materialet omkring qubits, og der er flere måder at håndtere det på: Optimere materialet omkring qubits, forbedre designet for at gøre dem mindre følsomme over for omgivelserne, eller – som man har gjort de sidste 10-15 år – finde måder at kompensere for den uundgåelige støj for at opnå bedre ydeevne.

Fabrizio Berritta forklarer: “Man kan måle den faktiske støj, og når vi kender den, kan vi korrigere kontrolvejen for at reducere dekohærens.”

Hastighed er afgørende i støjhåndtering

Forskere fra Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, MIT, NTNU og Leiden Universitet har nu introduceret en ny tilgang.

En af de store udfordringer ved at kompensere for visse typer støj er, at det skal ske ekstremt hurtigt. Forestil dig, at du sidder ved en computer ved siden af enheden og forsøger at korrigere støjen baseret på aflæsninger fra kvanteenheden.

Den tid det tager for aflæsningen at nå din computer er så lang, at støjen allerede har ændret sig. Du er altid for sent på den – per definition.

“Frequency Binary Search” – navnet på løsningen

Forskerholdet, ledet af Fabrizio Berritta under hans Ph.d.-udveksling på MIT, har udviklet en algoritme ved navn “Frequency Binary Search”. Algoritmen er implementeret på en controller med en integreret “Field Programmable Gate Array” (FPGA).

Denne controller manipulerer og aflæser qubits og indsamler data fra hvert eksperiment. Controlleren estimerer derefter qubit-frekvensen uden at dataene behøver at rejse (relativt langsomt) til computeren.

Qubit-frekvensen svinger på grund af omgivelserne, og når eksperimentet er slut, har forskerne en “realtidsoptagelse” af både de indsamlede data og frekvensudsvingene. Som nævnt tidligere: Hvis du kender støjen og kan opdatere qubit-kontrollen hurtigt nok, er den håndterbar.

En ny idé opstod ved brug af nye værktøjer

“Vi var ikke vant til disse superledende qubits med mikrobølge-styring, så i et par uger satte Jan Krzywda, Jacob Benestad og jeg os ned med vores vejledere og diskuterede mulighederne for en effektiv algoritme. Derefter validerede vi algoritmen eksperimentelt sammen med Lukas Pahl og Melvin Mathews på MIT.

Man kunne spørge, hvorfor vi først nu bruger FPGA til dette formål – FPGA’er har eksisteret i årevis og er f.eks. blevet brugt i partikelacceleratorer – men for at programmere dem kræves særlige færdigheder, mere i stil med elektroteknik end fysik.

Den dobbelte viden inden for elektroteknik og fysik er sjælden i vores felt. Vores arbejde blev muliggjort af den kommercielt fremstillede FPGA-baserede controller vi bruger, og vi kan programmere den i et sprog, der minder om Python – et programmeringssprog, vi som fysikere er meget mere vant til.

Det gør det muligt for mange laboratorier, ikke kun i København, men over hele verden, at udføre denne type eksperimenter.”

Perspektiver – et kig mod fremtiden

“I dag kalibrerer vi qubits i kvanteprocessorer ved at tage mange målinger: Tusindvis eller endda titusindvis. Vi skal holde styr på frekvensudsvingene, og de bliver flere, jo flere qubits der er i opsætningen.

I dag arbejder vi med titals eller hundreder af qubits, men måske vil vi en dag have opsætninger med millioner qubits, og så vil man naturligvis gerne være så effektiv som muligt i forsøget på at overvinde dekohærens.

Med ‘Frequency Binary Search’ kan man kalibrere alle qubits samtidig med en eksponentiel præcision i forhold til antallet af målinger (i praksis mindre end 10 målinger), og med antallet af qubits, der kun går én vej – op – i fremtiden, bør vi kunne finde god anvendelse af vores metode,” forklarer Fabrizio Berritta.

Link til den videnskabelige publikation: https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/77qg-p68k