Lattice‑surgi Demonstrasjon Fremmer Feiltolerant Kvanteberegning

Et team av forskere, ledet av ETH Zürich‑forskere, demonstrerte nylig en metode for å sammenfiltre kvantebiter via lattice‑surgi. Prosessen gjør det mulig for ingeniører å lage kraftigere kvantedatamaskiner, utvide de allerede imponerende evnene til disse enhetene og åpne døren for fremtidig adopsjon. Her er det du trenger å vite.

Hva gjør kvantedatamaskiner fundamentalt forskjellige

Kvantedatamaskiner blir av mange sett på som neste steg i utviklingen av datamaskiner. Disse enhetene kan levere tusenvis av ganger mer beregningskraft, noe som gjør dem ideelle for komplekse vitenskapelige beregninger og mer. utvikling

Quantum computers have proven to be much more powerful than traditional computers. They outperform traditional devices because they rely on qubits, superposition, entanglement, and interference to process information. This structure enables the processing of millions of computations in parallel.

Hvorfor kvantefeilkorrigering er den sentrale flaskehalsen

Imidlertid er lagring av kvantedata mye vanskeligere enn tradisjonelle biter, som kan dupliseres og lagres. Når de hentes, kan duplikatene kryssrefereres for å sikre at dataene ikke er korrupte. lagring

Kvantefeilkorrigering er mye mer komplisert av flere grunner. For det første kan ikke kvantequbiter kopieres på samme måte som tradisjonelle biter. I stedet er de avhengige av sammenfiltrede tilstander som opprettes mellom qubiter. Denne skjøre tilstanden kan lett bli ødelagt.

Bitflipper og faseflipper

I tillegg må kvantedatamaskiner håndtere dekoherens og faseskift. Kvantedatamaskiner er unike fordi qubiter plutselig og uten varsel kan skifte sin fase fra positiv til negativ. Dette problemet har gjort lagring av kvantedata over lange perioder vanskeligere.

Hvordan ingeniører løser dette problemet

Det finnes flere måter ingeniører har forsøkt å korrigere disse kvanteforskyvningene på. En populær metode er å lage en logisk qubit fra flere andre qubiter. Når den er opprettet, vil ingeniører kontinuerlig anvende feilkorrigering for å sikre nøyaktighet.

Denne prosessen krever at forskere kontinuerlig måler tilstanden til spesialbygde stabilisatorer. Disse stabilisatorene gjør det mulig for ingeniører å overvåke eventuelle endringer i qubiten uten å endre dens verdi. De utfører dette ved å tilby sporbare bit- og faseavlesninger.

Denne prosessen skaper datakvitter. Disse qubitene tjener til å lagre korrigeringsstatusen. Problemer oppstår fordi de fleste kvantedatamaskiner er avhengige av todimensjonale matriser av superledende qubiter.

Disse qubitene forblir låst i rommet og kan ikke flyttes uten å skade den kvante tilstanden. Stabiliserere hjelper med å opprettholde stabilitet. Imidlertid kan de kun fungere på qubiter som er ved siden av hverandre, noe som betyr at de kun er ideelle for todimensjonale qubit‑applikasjoner og er svært begrenset i sin bruk.

Lattice‑surgi på kvantebiter – Studie

For å forbedre kvanteberegningens evner publiserte forskere fra ETH Zürich og Paul Scherrer‑instituttet studien «Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits»¹ i Nature Physics.

Artikkelen introduserer en ny metodikk for kvantesammenfiltring og stabilisatorer. Deres nye tilnærming gjør det mulig for kvantedatamaskiner å utføre kvanteoperasjoner mellom superledende logiske qubiter samtidig som de utfører sanntidsfeilkorrigering.

Hva er lattice‑surgi i kvanteberegning?

Kjernen i denne nye utviklingen er lattice‑surgi. Lattice‑surgi spleiser topologiske koder over logiske qubiter. Denne tilnærmingen støtter 2D‑qubit‑oppsett sammen med feiltolerante portoperasjoner.

Ved bruk av lattice‑surgi klarte ingeniørene å anvende logiske porter mellom kodede qubiter selv når de ikke var plassert ved siden av hverandre. Denne strategien unngår direkte qubit‑kontakt, og reduserer feil fra dekoherens.

Lattice‑surgi er avhengig av bruk av «patches», som er qubiter med påførte stabilisatorer. Prosessen syer midlertidig sammen disse portene, noe som muliggjør paritetskontroller og et større kodeområde for behandling. Merkverdig er at dette arbeidet er en av de første eksperimentelle demonstrasjonene av lattice‑surgi utført mellom kodede logiske qubiter ved bruk av superledende surface‑code‑maskinvare, samtidig som sanntidsfeilkorrigering opprettholdes under operasjonen.

Hvordan lattice‑surgi‑eksperimentet ble utført

Ingeniørene gjennomførte flere tester for å sikre at beregningene var korrekte. Først laget teamet en kvanteenhet. Logikkporten besto av 17 superledende qubiter arrangert i en grov firkantet form.

Etter å ha sammenfiltret to, fokuserte ingeniørene på splittoperasjonene. For å gjøre dette kodet de de logiske qubitene med bit‑flip‑repetisjoner. De overvåket deretter stabilisatorenes resultater hvert 1,66 mikrosekund samtidig som de utførte bit‑flip‑ og fase‑flip‑korrigeringer.

Metoden deler surface‑code‑firkanten i to halvdeler, noe som gjør det lettere å spore og teste. Nøye viste testresultatene at teoriene deres var korrekte.

Lattice‑surgi på kvantebiter – Testresultater

Ingeniørene bemerket at bit‑flip‑feilene ble korrigert i sanntid. De registrerte en forbedring sammenlignet med ikke‑kodede kretser under samme prosess, med resultatet at ingeniørene med suksess skapte to logiske qubiter som var sammenfiltret med hverandre.

Lattice‑surgi på kvantebiter – Fordeler

Det er mange fordeler denne studien bringer til markedet. For det første åpner den døren for kraftigere og mer nøyaktige kvantedatamaskiner. Evnen til å redusere og kode feiltoleranse og korrigeringer inn i disse enhetene vil gjøre fremtidige iterasjoner i stand til å levere bedre ytelse og stabilitet.

Lattice‑surgi på kvantebiter: Virkelige anvendelser og tidslinje

Det finnes flere anvendelser for dette arbeidet. Primært vil denne forskningen bidra til å utvide og forbedre den voksende kvantedatamaskin‑sektoren. Den gir et nytt nivå av stabilitet til disse enhetene, slik at ingeniører kan lage kraftigere enheter som baserer seg på enda flere qubiter for å drive operasjoner.

Lattice‑surgi på kvantebiter – Tidslinje

Ifølge ingeniørene er det fortsatt mye arbeid som må gjøres før denne teknologien er klar og kan anvendes på dagens avanserte kvantedatamaskiner. Du kan imidlertid forvente at teknologien blir tatt i bruk i sektoren i løpet av de neste 7–10 årene, sammen med økt adopsjon av kvantedatamaskiner.

Lattice‑surgi på kvantebiter: Forskere

Forskere fra flere fremtredende institusjoner deltok i denne studien. Spesielt ledet D‑PHYS‑professor Andreas Wallraff forskningspapiret, mens professor Markus Müller ved RWTH Aachen University og Forschungszentrum Jülich var medforfattere.

Artikkelen nevner 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 bidragsytere.

Lattice‑surgi på kvantebiter – Fremtid

Fremtiden for denne teknologien er lys. Målet er å integrere den med andre nylige gjennombrudd for å hjelpe ingeniører med å oppnå sitt overordnede mål om å bygge nyttige kvantedatamaskiner som baserer seg på tusenvis av qubiter i stedet for dusinvis.

Investere i kvanteinnovasjon

Kvantedatamaskin‑sektoren domineres av flere forskningsfirmaer som har investert millioner i teknologien. Disse gruppene fortsetter å utforske teknologien med en innovativ ånd, og bidrar til å avdekke tidligere ansett som umulige tilnærminger. Her er ett selskap som har bidratt til å fremme fremtidige utviklinger og adopsjon.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) ble grunnlagt i 2013 av Chad Rigetti med det spesifikke målet å bygge verdens mest kraftige kvantedatamaskiner ved bruk av superledende qubit‑teknologi. I motsetning til IonQ, som bruker fangede ioner, er Rigettis fokus på superledende kretser tettere knyttet til ETH Zürich‑forskningen som involverer lattice‑surgi på superledende logiske qubiter.

I 2018 demonstrerte Rigetti en 128‑qubit‑brikke, og selskapet har siden vært pioner i utviklingen av «Full‑Stack» kvanteberegning. Dette inkluderer Fab‑1‑anlegget, verdens første dedikerte kvante‑foundry, hvor de designer og produserer sine egne kvanteprosessorer.

Rigetti har gjort betydelige fremskritt innen hybrid kvante‑klassisk beregning. Plattformen Quantum Cloud Services (QCS) integrerer kvanteprosessorer med høyytelses klassisk infrastruktur, noe som er nødvendig for sanntidsfeilkorrigeringen som diskuteres i nåværende forskning. I 2021 ble Rigetti børsnotert gjennom en fusjon med Supernova Partners Acquisition Company II, og noteres på NASDAQ.

I dag utvikler Rigetti aktivt sine Ankaa‑klassesystemer, som bruker et kvadratisk gitter av justerbare koblere. Denne arkitekturen er spesielt designet for å støtte typen feiltolerante operasjoner og logisk qubit‑koding som ble demonstrert i den siste studien fra ETH Zürich.

Siste nyheter og ytelse for Rigetti Computing (RGTI)

Lattice‑surgi på kvantebiter | Konklusjon

Kvantedatamaskiner lover uovertruffen beregningskraft, men deres skjørhet har gjort dem for dyre for de fleste å bruke eller eie. Dette siste arbeidet vil bidra til å stabilisere disse enhetene, og bringer verden ett skritt nærmere et rimelig og pålitelig alternativ. Av denne og andre grunner fortjener disse ingeniørene stående applaus.

Lær mer om andre kvantedatamaskin‑gjennombrudd her.

Referanser

^{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‑surgi realisert på to avstand‑tre repetisjonskoder med superledende qubiter. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}