Lattice‑kirurgi‑demonstration fremmer fejltolerant kvantecomputing

Et hold af forskere, ledet af ETH Zurich‑forskerne, demonstrerede for nylig en metode til at sammenkoble kvantebits via lattice‑kirurgi. Processen gør det muligt for ingeniører at bygge mere kraftfulde kvantecomputere, udvide de allerede imponerende kapaciteter i disse enheder og åbne døren for fremtidig adoption. Her er, hvad du behøver at vide.

Hvad gør kvantecomputere fundamentalt forskellige

Kvantecomputere betragtes af mange som det næste skridt i computerens evolution. Disse enheder kan levere tusindvis af gange mere beregningskraft, hvilket gør dem ideelle til komplekse videnskabelige beregninger og mere.

Kvantecomputere har vist sig at være langt mere kraftfulde end traditionelle computere. De overgår traditionelle enheder, fordi de bygger på qubits, superposition, sammenfiltring og interferens til at behandle information. Denne struktur muliggør behandling af millioner af beregninger parallelt.

Hvorfor kvantefejlkorrektion er den centrale flaskehals

Men når det gælder lagring af kvantedata, er det meget sværere end traditionelle bits, som kan duplikeres og gemmes. Når de hentes, kan duplikaterne krydstjekkes for at sikre, at dataene ikke er korrupte.

Kvantefejlkorrektion er meget mere kompliceret af flere grunde. For det første kan kvante‑qubits ikke kopieres på samme måde som traditionelle bits. I stedet er de afhængige af sammenfiltrede tilstande skabt mellem qubits. Denne skrøbelige tilstand kan let ødelægges.

Bitflipper og faseflipper

Derudover skal kvantecomputere håndtere decoherence og faseforskydninger. Kvantecomputere er unikke, fordi qubits pludselig og uden varsel kan skifte deres fase fra positiv til negativ. Dette problem har gjort lagring af kvantedata over lange perioder vanskeligere.

Hvordan ingeniører løser dette problem

Der er flere måder, hvorpå ingeniører har forsøgt at korrigere disse kvante‑skift. En populær metode er at oprette en logisk qubit ud fra forskellige andre qubits. Når den er oprettet, vil ingeniører løbende anvende fejlkorrektion for at sikre nøjagtighed.

Denne proces kræver, at forskere løbende måler tilstanden af specialbyggede stabilisatorer. Disse stabilisatorer gør det muligt for ingeniører at overvåge enhver ændring i qubitten uden at ændre dens værdi. De udfører denne opgave ved at levere sporbare bit‑ og fase‑aflæsninger.

Denne proces skaber datakvbits. Disse kvbits tjener til at gemme korrigerings‑tilstanden. Problemer opstår, fordi de fleste kvantecomputere er afhængige af todimensionale arrays af superledende qubits.

Disse qubits forbliver låst i rummet og kan ikke flyttes uden at beskadige den kvante‑tilstand. Stabilisatorer hjælper med at opretholde stabilitet. De kan dog kun fungere på qubits, der er ved siden af hinanden, hvilket betyder, at de kun er ideelle til todimensionale qubit‑applikationer og har meget begrænset anvendelse.

Lattice‑kirurgi på kvantebits Studie

I bestræbelsen på at forbedre kvantecomputing‑kapaciteter publicerede forskere fra ETH Zurich og Paul Scherrer Institute studiet “Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits¹” i Nature Physics.

Papiret introducerer en ny metodik for kvantesammenfiltring og stabilisatorer. Deres nye tilgang gør det muligt for kvantecomputere at udføre kvanteoperationer mellem superledende logiske qubits, mens de udfører realtids‑fejlkorrektion.

Hvad er lattice‑kirurgi i kvantecomputing?

Kernen i denne nye udvikling er lattice‑kirurgi. Lattice‑kirurgi splejser topologiske koder på tværs af logiske qubits. Denne tilgang understøtter 2D‑qubit‑arrangementer sammen med fejltolerante gate‑operationer.

Ved brug af lattice‑kirurgi var ingeniørerne i stand til at anvende logiske porte mellem kodede qubits, selv når de ikke var placeret ved siden af hinanden. Denne strategi undgår direkte qubit‑kontakt og reducerer fejl fra decoherence.

Lattice‑kirurgi bygger på brugen af patches, som er qubits med anvendte stabilisatorer. Processen syer midlertidigt disse porte sammen, hvilket muliggør paritetskontroller og et større kode‑rum til behandling. Bemærkelsesværdigt er, at dette arbejde udgør en af de første eksperimentelle demonstrationer af lattice‑kirurgi udført mellem kodede logiske qubits ved brug af superledende surface‑code‑hardware, mens realtids‑fejlkorrektion opretholdes under operationen.

Hvordan lattice‑kirurgi‑eksperimentet blev udført

Ingeniørerne gennemførte flere tests for at sikre, at deres beregninger var korrekte. Først skabte teamet en kvanteenhed. Logik‑gaten bestod af 17 superledende qubits arrangeret i en grov firkantet form.

Efter at have sammenfiltrede to, fokuserer ingeniørerne på split‑operationerne. For at gøre dette kodede de de logiske qubits med bit‑flip‑gentagelser. De overvågede derefter stabilisatorernes resultater hver 1,66 mikrosekund, mens de også udførte bit‑flip‑ og fase‑flip‑korrektioner.

Metoden deler surface‑code‑firkanten i to halvdele, hvilket gør det lettere at spore og teste. Skarpt demonstrerede testresultaterne, at deres teorier var korrekte.

Lattice‑kirurgi på kvantebits – Testresultater

Ingeniørerne bemærkede, at bit‑flip‑fejlene blev korrigeret i realtid. De registrerede en forbedring i forhold til ikke‑kodede kredsløb, der blev udsat for samme proces, med resultatet at ingeniørerne med succes skabte to logiske qubits, som var sammenfiltrede med hinanden.

Lattice‑kirurgi på kvantebits – Fordele

Der er mange fordele, som denne undersøgelse bringer til markedet. For det første åbner den døren for mere kraftfulde og præcise kvantecomputere. Evnen til at reducere og indkode fejltolerance og korrektioner i disse enheder vil gøre det muligt for fremtidige iterationer at levere højere ydeevne og stabilitet.

Lattice‑kirurgi på kvantebits: Anvendelser i den virkelige verden & tidslinje

Der er flere anvendelser for dette arbejde. Primært vil denne forskning hjælpe med at udvide og forbedre den spirende kvantecomputer‑sektor. Den giver et nyt niveau af stabilitet til disse enheder, så ingeniører kan skabe mere kraftfulde enheder, der bygger på endnu flere qubits til at drive operationerne.

Lattice‑kirurgi på kvantebits tidslinje

Ifølge ingeniørerne er der stadig meget arbejde, der skal udføres, før denne teknologi er klar til at blive anvendt på nutidens avancerede kvanteenheder. Du kan dog forvente at se denne teknologi blive anvendt i sektoren inden for de næste 7–10 år, sammen med en større adoption af kvantecomputere.

Lattice‑kirurgi på kvantebits: Forskere

Forskere fra flere fremtrædende institutioner deltog i denne undersøgelse. Specifikt ledte D‑PHYS‑professor Andreas Wallraff forskningspapiret, mens professor Markus Müller ved RWTH Aachen University og Forschungszentrum Jülich var medforfattere.

Papiret nævner også Ilya Besedin, Michael Kerschbaum, Jonathan Knoll, Ian Hesner, Lukas Bödeker, Luis Colmenarez, Luca Hofele, Nathan Lacroix, Christoph Hellings, François Swiadek, Alexander Flasby, Mohsen Bahrami Panah og Dante Colao Zanuz som bidragydere.

Lattice‑kirurgi på kvantebits – Fremtid

Fremtiden for denne teknologi er lysende. Målet er at integrere den med andre nylige gennembrud for at hjælpe ingeniører med at nå deres overordnede mål om at bygge brugbare kvantecomputere, der bygger på tusinder af qubits i stedet for dusinvis.

Investering i kvanteinnovation

Kvantecomputing‑sektoren domineres af flere forskningsvirksomheder, der har investeret millioner i teknologien. Disse grupper fortsætter med at dykke ned i teknologien med en innovativ ånd, hvilket hjælper med at afdække tidligere betragtede umulige tilgange. Her er et firma, der har bidraget til at fremme fremtidige udviklinger og adoption.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) blev grundlagt i 2013 af Chad Rigetti med det specifikke mål at bygge verdens mest kraftfulde kvantecomputere ved brug af superledende qubit‑teknologi. I modsætning til IonQ, som bruger fangede ioner, er Rigettis fokus på superledende kredsløb tættere på ETH Zurich‑forskningen, der involverer lattice‑kirurgi på superledende logiske qubits.

I 2018 demonstrerede Rigetti en 128‑qubit‑chip, og virksomheden har siden banet vejen for udviklingen af “Full‑Stack” kvantecomputing. Dette inkluderer Fab‑1‑faciliteten, verdens første dedikerede kvante‑foundry, hvor de designer og fremstiller deres egne kvanteprocessorer.

Rigetti har gjort betydelige fremskridt inden for hybrid kvante‑klassisk computing. Dets Quantum Cloud Services (QCS) platform integrerer kvanteprocessorer med højtydende klassisk infrastruktur, hvilket er nødvendigt for den realtids‑fejlkorrektion, der diskuteres i den aktuelle forskning. I 2021 gik Rigetti offentligt gennem en fusion med Supernova Partners Acquisition Company II og blev noteret på NASDAQ.

I dag udvikler Rigetti aktivt sine Ankaa‑klasse systemer, som anvender et kvadratisk gitter af justerbare couplere. Denne arkitektur er specifikt designet til at understøtte den type fejltolerante operationer og logisk qubit‑kodning, der blev demonstreret i den seneste ETH Zurich‑undersøgelse.

Seneste Rigetti Computing (RGTI) nyheder og performance

Lattice‑kirurgi på kvantebits | Konklusion

Kvantecomputere lover uovertruffen beregningskraft, men deres skrøbelighed har gjort dem for dyre til, at de fleste nogensinde kan bruge eller eje dem. Dette seneste arbejde vil hjælpe med at stabilisere disse enheder, hvilket bringer verden et skridt tættere på en overkommelig og pålidelig løsning. Af denne grund og flere fortjener disse ingeniører en stående applaus.

Lær om andre kvantecomputer‑gennembrud her.

Referencer

^{1. Besedin, I., Kerschbaum, M., Knoll, J., Hesner, I., Bödeker, L., Colmenarez, L., Hofele, L., Lacroix, N., Hellings, C., Swiadek, F., Flasby, A., Bahrami Panah, M., Colao Zanuz, D., Müller, M., & Wallraff, A. (2026). Lattice‑kirurgi realiseret på to distance‑tre gentagelseskoder med superledende qubits. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}