Lattice Surgery Demonstration Främjar Feltolerant Kvantdatorutveckling

Ett team av forskare, lett av ETH Zurich-forskare, demonstrerade nyligen ett sätt att sammanfläta kvantbitar via lattice surgery. Processen gör det möjligt för ingenjörer att skapa kraftfullare kvantdatorer, utökar de redan imponerande kapaciteterna hos dessa enheter och öppnar dörren för framtida antagande. Här är vad du behöver veta.

Vad gör kvantdatorer fundamentalt annorlunda

Kvantdatorer ses av många som nästa steg i utvecklingen av datorer. Dessa enheter kan leverera tusentals gånger mer beräkningskraft, vilket gör dem idealiska för komplexa vetenskapliga beräkningar och mer.

Kvantdatorer har visat sig vara mycket kraftfullare än traditionella datorer. De överträffar traditionella enheter eftersom de förlitar sig på kvantbitar, superposition, sammanflätning och interferens för att bearbeta information. Denna struktur möjliggör bearbetning av miljontals beräkningar parallellt.

Varför kvantfelkorrigering är den centrala flaskhalsen

Men när det gäller lagring av kvantdata är det mycket svårare än traditionella bitar, som kan dupliceras och lagras. När de hämtas kan duplikaten korsrefereras för att säkerställa att data inte är korrupt.

Kvantfelkorrigering är mycket mer komplicerad av flera anledningar. För det första kan kvantbitar inte kopieras på samma sätt som traditionella bitar. Istället förlitar de sig på sammanflätade tillstånd som skapas mellan kvantbitar. Detta sköra tillstånd kan lätt förstöras.

Bitflipp och fasflipp

Dessutom måste kvantdatorer hantera decoherence och fasförskjutningar. Kvantdatorer är unika eftersom kvantbitar plötsligt och utan förvarning kan skifta sin fas från positiv till negativ. Detta problem har gjort lagring av kvantdata över långa perioder svårare.

Hur ingenjörer löser detta problem

Det finns flera sätt som ingenjörer har försökt korrigera dessa kvantförskjutningar. En populär metod är att skapa en logisk kvantbit från olika andra kvantbitar. När den har skapats kommer ingenjörerna kontinuerligt att tillämpa felkorrigering för att säkerställa noggrannhet.

Denna process kräver att forskare ständigt mäter tillståndet hos specialbyggda stabilisatorer. Dessa stabilisatorer gör det möjligt för ingenjörer att övervaka eventuella förändringar i kvantbiten utan att ändra dess värde. De utför detta genom att tillhandahålla spårbara bit‑ och fasavläsningar.

Denna process skapar datakvantbitar. Dessa kvantbitar tjänar till att lagra korrigeringsstatusen. Problem uppstår eftersom de flesta kvantdatorer förlitar sig på tvådimensionella matriser av supraledande kvantbitar.

Dessa kvantbitar förblir låsta i rymden och kan inte flyttas utan att skada det kvanta tillståndet. Stabilisatorer hjälper till att upprätthålla stabiliteten. De kan dock bara fungera på kvantbitar som är intill varandra, vilket betyder att de är idealiska för tvådimensionella kvantbit‑applikationer och är mycket begränsade i sin användning.

Studie om lattice surgery på kvantbitar

För att förbättra kvantdatorns kapacitet publicerade forskare från ETH Zurich och Paul Scherrer Institute studien “Lattice surgery realized on two distance-three repetition codes with superconducting qubits¹” i Nature Physics.

Papperet introducerar en ny metodik för kvantsammanflätning och stabilisatorer. Deras nya tillvägagångssätt gör det möjligt för kvantdatorer att utföra kvantoperationer mellan supraledande logiska kvantbitar samtidigt som felkorrigering i realtid utförs.

Vad är lattice surgery i kvantdatorer?

Vid kärnan av denna nya utveckling ligger lattice surgery. Lattice surgery sammanfogar topologiska koder över logiska kvantbitar. Detta tillvägagångssätt stödjer tvådimensionella kvantbit‑arrangemang tillsammans med feltoleranta grindoperationer.

Genom användning av lattice surgery kunde ingenjörerna tillämpa logikgrindar mellan kodade kvantbitar även när de inte låg bredvid varandra. Denna strategi undviker direkt kontakt mellan kvantbitar, vilket minskar fel från decoherence.

Lattice surgery förlitar sig på användning av “patches”, vilka är kvantbitar med applicerade stabilisatorer. Processen syr temporärt ihop dessa grindar, vilket möjliggör paritetskontroller och ett större kodutrymme för bearbetning. Noterbart är att detta arbete representerar en av de första experimentella demonstrationerna av lattice surgery utförd mellan kodade logiska kvantbitar med supraledande surface‑code‑hårdvara, samtidigt som felkorrigering i realtid upprätthölls under operationen.

Hur lattice surgery‑experimentet genomfördes

Ingenjörerna genomförde flera tester för att säkerställa att deras beräkningar var korrekta. Först skapade teamet en kvantdevice. Logikgrinden bestod av 17 supraledande kvantbitar arrangerade i en grov fyrkantig form.

Efter att ha sammanflätat två fokuserade ingenjörerna på split‑operationerna. För att göra detta kodade de de logiska kvantbitarna med bit‑flipp‑repetitioner. De övervakade sedan stabilisatorernas resultat var 1,66 µs samtidigt som de utförde bit‑flipp‑ och fas‑flipp‑korrigeringar.

Metoden delar surface‑code‑fyrkanten i två halvor, vilket gör det enklare att spåra och testa. Resultaten visade tydligt att deras teorier var korrekta.

Lattice surgery på kvantbitar – testresultat

Ingenjörerna noterade att bit‑flipp‑felen korrigerades i realtid. De registrerade en förbättring jämfört med icke‑kodade kretsar under samma process, med resultatet att de framgångsrikt skapade två logiska kvantbitar som var sammanflätade med varandra.

Fördelar med lattice surgery på kvantbitar

Denna studie ger många fördelar till marknaden. För det första öppnar den dörren för kraftfullare och mer exakta kvantdatorer. Förmågan att reducera och koda fel‑tolerans och korrigeringar i dessa enheter kommer att möjliggöra framtida iterationer med bättre prestanda och stabilitet.

Lattice surgery på kvantbitar: Verkliga tillämpningar & tidslinje

Det finns flera tillämpningar för detta arbete. Främst kommer forskningen att hjälpa till att expandera och förbättra den växande kvantdatorsektorn. Den ger en ny nivå av stabilitet till dessa enheter, vilket gör det möjligt för ingenjörer att skapa kraftfullare enheter som förlitar sig på ännu fler kvantbitar för att driva operationer.

Tidslinje för lattice surgery på kvantbitar

Enligt ingenjörerna återstår fortfarande mycket arbete innan tekniken är redo och kan tillämpas på dagens avancerade kvantapparater. Du kan dock förvänta dig att se tekniken tillämpas i sektorn inom de kommande 7–10 åren, i takt med att kvantdatorer blir alltmer accepterade.

Lattice surgery på kvantbitar: Forskare

Forskare från flera framstående institutioner deltog i denna studie. Specifikt ledde D‑PHYS‑professor Andreas Wallraff forskningspapperet medan professor Markus Müller vid RWTH Aachen University och Forschungszentrum Jülich var medförfattare.

Papperet listar också 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 och Dante Colao Zanuz som bidragsgivare.

Framtiden för lattice surgery på kvantbitar

Framtiden för denna teknik ser ljus ut. Målet är att integrera den med andra nyliga genombrott för att hjälpa ingenjörer att nå sitt övergripande mål att bygga användbara kvantdatorer som förlitar sig på tusentals kvantbitar snarare än dussintals.

Investering i kvantinnovation

Den kvantdatorsektor domineras av flera forskningsföretag som har investerat miljoner i tekniken. Dessa grupper fortsätter att fördjupa sig i tekniken med en innovativ anda, vilket hjälper till att avslöja tidigare ansedda omöjliga tillvägagångssätt. Här är ett företag som har bidragit till att främja framtida utveckling och antagande.

Rigetti Computing

Rigetti Computing (RGTI ) grundades 2013 av Chad Rigetti med det specifika målet att bygga världens mest kraftfulla kvantdatorer med hjälp av supraledande kvantbit‑teknik. Till skillnad från IonQ, som använder fångade joner, är Rigettis fokus på supraledande kretsar mer i linje med ETH Zurich‑forskningen som involverar lattice surgery på supraledande logiska kvantbitar.

År 2018 demonstrerade Rigetti en 128‑kvantbits‑chip, och företaget har sedan dess banat vägen för utvecklingen av ”Full‑Stack” kvantdatorer. Detta inkluderar Fab‑1‑anläggningen, världens första dedikerade kvantfoundry, där de designar och tillverkar sina egna kvantprocessorer.

Rigetti har gjort betydande framsteg inom hybrid kvant‑klassisk beräkning. Dess Quantum Cloud Services (QCS)‑plattform integrerar kvantprocessorer med högpresterande klassisk infrastruktur, en nödvändighet för den realtids‑felkorrigering som diskuteras i den aktuella forskningen. År 2021 gick Rigetti publikt via en fusion med Supernova Partners Acquisition Company II och noterades på NASDAQ.

Idag utvecklar Rigetti aktivt sina Ankaa‑klassystem, som använder ett fyrkantigt gitter av justerbara kopplare. Denna arkitektur är specifikt designad för att stödja den typ av fel‑toleranta operationer och logisk kvantbit‑kodning som demonstrerades i den senaste ETH Zurich‑studien.

Senaste nyheter och prestanda för Rigetti Computing (RGTI)

Lattice Surgery på kvantbitar | Slutsats

Kvantdatorer lovar oöverträffad beräkningskraft, men deras bräcklighet har gjort dem för dyra för de flesta att någonsin använda eller äga. Detta senaste arbete kommer att hjälpa till att stabilisera dessa enheter, vilket tar världen ett steg närmare ett prisvärt och pålitligt alternativ. Av denna anledning och mer förtjänar dessa ingenjörer stående ovationer.

Lär dig mer om andra kvantdatorgenombrott här.

Referenser

^{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 surgery realiserat på två repetitionskoder med avstånd tre med supraledande kvantbitar. Nature Physics, 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}