A nem ismétlődő csempeminták megvédhetik a kvantuminformációkat

Ez a rendkívüli törékenység reménytelenné teheti a kvantumszámítástechnikát. De 1995-ben Peter Shor alkalmazott matematikus Felfedez Intelligens módszer a kvantuminformációk tárolására. Kódolásának két fő jellemzője volt. Először is elviseli azokat a hibákat, amelyek csak az egyes qubiteket érintik. Másodszor, egy eljárást tartalmazott a hibák kijavítására, amikor azok előfordulnak, megakadályozva azok felhalmozódását, és kisiklik a számítási folyamatot. Shor felfedezése volt az első példa a kvantum hibajavító kódra, és kulcsfontosságú tulajdonságai minden ilyen kódra jellemzőek.

Az első tulajdonság egy egyszerű elvből fakad: a bizalmas információ kevésbé sebezhető, ha megosztják őket. A kémhálózatok hasonló stratégiát alkalmaznak. Mindegyik kém nagyon keveset tud a hálózat egészéről, így a szervezet még akkor is biztonságban marad, ha valakit elkapnak. De a kvantum hibajavító kódok ezt a logikát a végletekig viszik. Egy kvantumkémhálózatban egyetlen kém sem tudna semmit, mégis sokat tudnának együtt.

Mindegyik kvantumhiba-javító kód egy sajátos recept a kvantuminformációk sok qubit között történő elosztására kollektív szuperpozícióban. Ez az eljárás hatékonyan konvertálja a fizikai qubitek tömbjét egyetlen virtuális qubitté. Ismételje meg a folyamatot többször nagy qubit-készlettel, és sok virtuális qubitet kap, amelyeket számítások elvégzésére használhat.

Az egyes virtuális qubiteket alkotó fizikai qubitek olyanok, mint azok a gyanútlan kvantumkémek. Mérje meg bármelyiket, és semmit sem fog tudni a virtuális qubit állapotáról, amelynek része, a helyi megkülönböztethetetlenségnek nevezett tulajdonságról. Mivel minden fizikai qubit nem kódol semmilyen információt, az egyes qubitekben lévő hibák nem rontják a számítást. A fontos információk így vagy úgy mindenhol megtalálhatók, de konkrétan sehol.

– Nem kötheti egyetlen qubithez sem – mondta Cubitt.

Minden kvantumhibajavító kód képes legalább egy hibát kezelni anélkül, hogy bármilyen hatással lenne a kódolt információra, de végül mindegyik feladja, ahogy a hibák felhalmozódnak. És itt kezdődik a kvantum hibajavító kódok második jellemzője, ami a tényleges hibajavítás. Ez szorosan összefügg a helyi megkülönböztethetetlenséggel: mivel az egyes qubitek hibái nem semmisítenek meg semmilyen információt, ez mindig lehetséges Fordítson vissza minden hibát Az egyes kódokhoz megállapított eljárások alkalmazása.

Elvitték lovagolni

Zhi Li, a kanadai Waterloo-i Peripheral Institute for Theoretical Physics posztdoktori kutatója jól ismerte a kvantumhiba-korrekciós elméletet. De a téma távol állt a fejétől, amikor beszélgetésbe kezdett kollégájával Latham Boyle. 2022 ősze volt, és a két fizikus egy esti járaton utazott Waterlooból Torontóba. Boyle, a nem ciklikus burkolás szakértője, aki akkoriban Torontóban élt, jelenleg pedig az Edinburghi Egyetemen dolgozik, ismerős arc volt ezeken a járatokon, amelyek gyakran elakadnak a nagy forgalomban.

„Általában elég nyomorúságosak tudnak lenni” – mondta Boyle. „Ez olyan volt, mint a valaha volt legnagyobb.”

A sorsdöntő este előtt Lee és Boyle tisztában voltak egymás munkájával, de kutatási területeik nem fedték egymást közvetlenül, és még soha nem beszéltek személyesen. De mint a nem kapcsolódó területek számtalan kutatója, Lee-t is érdekelték a nem időszakos csempék. „Nagyon nehéz nem érdekelni” – mondta.