Neue Quantenfehlerkorrekturmethode verwendet „Multi-Hypercube-Codes“ und zeigt gleichzeitig schöne Geometrie

In einer Arbeit veröffentlicht in Wissenschaftliche FortschritteHayato Goto vom RIKEN Center for Quantum Computing in Japan hat einen neuen Ansatz zur Quantenfehlerkorrektur vorgeschlagen, der sogenannte „Multi-Hypercube-Codes“.

Dieser Ansatz, der sich als elegant herausstellt, könnte dazu beitragen, äußerst effiziente Fehlerkorrekturen zu erreichen und zu hochparallelen Methoden beizutragen, die fehlertolerantes Quantencomputing ermöglichen, den nächsten Schritt in der Entwicklung von Quantencomputern.

Laut Goto besteht „dank der jüngsten experimentellen Fortschritte große Hoffnung, dass wir fehlertolerante Quantencomputer bauen können, also Quantencomputer, die Fehler korrigieren und klassische Computer in bestimmten Bereichen übertreffen können.“ Um dies zu erreichen, ist es jedoch wichtig, eine wirksame Quantenfehlerkorrektur zu entwickeln. »

In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler viele verschiedene Methoden zur Fehlerkorrektur vorgeschlagen. Der herkömmliche Ansatz zur Quantenfehlerkorrektur basiert typischerweise auf der Codierung eines einzelnen logischen Qubits (das Qubit entspricht einem Bit auf einem klassischen Computer) in viele verschränkte physikalische Qubits und der anschließenden Verwendung eines Decoders, um das logische Qubit aus den physikalischen Qubits wiederherzustellen.

Allerdings ist die Skalierbarkeit dieses Ansatzes problematisch, da die Anzahl der benötigten physikalischen Qubits deutlich steigt, was zu einem enormen Ressourcenaufwand führt. Um dieses Problem zu lösen, wurden Quantencodes mit hohem Durchsatz in Betracht gezogen, beispielsweise Quantencodes mit Paritätsprüfung niedriger Dichte.

Bei diesem Ansatz müssen die Logikgatter, die die Berechnungen ermöglichen, ziemlich sequentiell und nicht vollständig parallel konfiguriert werden, was sie weniger zeiteffizient macht.

Um dieses Problem anzugehen, schlug Goto die Verwendung eines Ansatzes vor, den er „multiple Hypercube-Codes“ nennt. Dies ist eine Methode mit einem komplexen Namen – Hochgeschwindigkeits-Quantencodes – und insofern innovativ, als logische Qubits mathematisch so dargestellt werden können, dass sie einen sogenannten „Hyperwürfel“ bilden – eine Form, die Quadrate und Würfel sowie höhere Ordnungen umfasst Formen wie der Tesserakt.

Bemerkenswert ist die schöne mathematische und geometrische Struktur des Codes, da die meisten Hochgeschwindigkeits-Quantencodes komplexe Strukturen aufweisen.

Goto weist darauf hin, dass er einen neuen dedizierten Decoder entwickeln musste, der in der Lage ist, die Ausgabe der physischen Qubits zu interpretieren, damit die neuen Codes eine überlegene Leistung erzielen. Diese innovative Technik basiert auf der stufenweisen Dekodierung des Mindestabstands, wodurch eine hohe Leistung erzielt wird.

Im Gegensatz zu anderen ähnlichen Methoden ermöglicht es auch, Logikgatter parallel statt in Reihe zu schalten, was das System analog zur Parallelverarbeitung klassischer Computer macht, was Goto dazu veranlasst, es analog als „verzerrungstolerantes Rechnen“ zu bezeichnen mit „High Performance Computing“, das für massiv paralleles Rechnen verwendet wird.

Die Arbeit hat sich gelohnt. Die Codes erreichen eine Kodierungsrate (eine Zahl, die das Verhältnis von logischen zu physikalischen Qubits angibt) von bis zu 30 %, was laut Goto die weltweit höchste unter den Codes zu sein scheint, die zur Berechnung der Quantenfehlertoleranz verwendet werden. Und selbst bei dieser hohen Rate ist die Leistung vergleichbar mit der klassischer Low-Rate-Codes.

Goto sagt: „In der Praxis könnte dieser Code mit physikalischen Qubit-Systemen wie lasergefangenen neutralen Atom-Qubits implementiert werden.“ »