Forskere har teleporteret kvanteinformation, der var beskyttet af en såkaldt surface code, på en superledende processor med 125 qubits. Studiet blev offentliggjort i Nature Physics den 22. oktober og undersøger, hvor ufuldkomne forbindelserne kan være, før overførslen mister sin beskyttelse.

Forsøget nåede en kodeafstand på syv. Det er et mål for kodens fejlbeskyttelse, ikke for en fysisk afstand. Forskerne kortlagde også, hvordan kontrollerede rotationer af qubits kunne ændre grænsen for vellykket teleportation.

To grupper på samme chip

Holdet omfatter forskere fra Zhejiang University og Hong Kong University of Science and Technology i Guangzhou. I forsøgsopstillingen var afsenderens og modtagerens qubits flettet ind mellem hinanden på processoren. Der var altså ikke tale om en forbindelse mellem fjerntliggende kvantecomputere.

En tidligere udgave af arbejdet blev lagt på arXiv den 24. februar. Den aktuelle nyhed er offentliggørelsen i det fagfællebedømte tidsskrift. Resultatet peger mod distribueret kvanteberegning, men demonstrerer endnu ikke et færdigt netværk af fejltolerante maskiner.

Hvad bliver egentlig teleporteret?

Kvanteteleportation flytter information om en kvantetilstand. Den flytter ikke selve chippen, en partikel gennem et tomrum eller en genstand fra ét sted til et andet. Ordet lyder som science fiction, men beskriver en præcis protokol med bestemte forudsætninger.

IBM forklarer grundversionen med en afsender og en modtager, som allerede deler en sammenfiltret kvantetilstand. Afsenderen udfører operationer og målinger og sender derefter to almindelige informationsbits til modtageren. Modtageren bruger beskeden til at fuldføre overførslen af den ønskede tilstand.

Den almindelige besked er nødvendig. Sammenfiltring alene giver derfor ikke en genvej til at sende anvendelig information hurtigere end lyset. Teleportation kombinerer en kvantemekanisk ressource med den form for klassisk kommunikation, som også almindelige computere bruger.

Metoden er interessant, fordi en ukendt kvantetilstand ikke bare kan kopieres som en fil. Hvis afsenderen kunne beskrive hele tilstanden i en almindelig besked og lade enhver modtager genskabe den, ville man kunne lave vilkårligt mange identiske kopier. Det strider mod kvantemekanikkens forbud mod sådan kopiering. Teleportationen overfører tilstanden uden at gøre den til frit kopierbare data.

Hvorfor bruge mange qubits til én?

En fysisk qubit er en konkret del af hardwaren. En logisk qubit er information, der er kodet på tværs af flere fysiske qubits. Surface codes organiserer dem i et mønster, hvor kontrolmålinger kan afsløre tegn på fejl. Formålet er at beskytte den samlede information, selv om enkelte komponenter bliver forstyrret.

IBM beskriver en væsentlig pris ved denne beskyttelse: Når kodeafstanden vokser, vokser antallet af nødvendige qubits omtrent med kvadratet på afstanden. Stærkere beskyttelse kræver derfor hurtigt mere hardware. Et højt antal fysiske qubits fortæller ikke i sig selv, hvor mange brugbare logiske qubits en maskine har.

Afstanden beskriver kodens struktur og skal ikke forveksles med antal meter mellem apparaterne.

En større kode hjælper desuden kun under de rigtige betingelser. De underliggende fejl skal være tilstrækkeligt sjældne. Ellers risikerer de ekstra operationer og komponenter at skabe mere støj, end koden kan håndtere. Det er derfor både kodens størrelse og kvaliteten af de fysiske operationer, der afgør, om fejlbeskyttelsen bliver nyttig.

Et skridt mod forbindelser, der kan tåle fejl

Det nye studie kobler disse to udfordringer sammen: Information skal både kunne beskyttes og overføres. Forskerne varierede de lokale operationer, som skaber sammenfiltring, og fandt en tærskel mellem områder med og uden vellykket logisk teleportation. Det giver en eksperimentel måde at undersøge, hvilke ressourcer overførslen kræver.

For kommende kvantesystemer er det relevante spørgsmål derfor større end, om en enkelt overførsel kan lykkes. Den skal kunne indgå i en længere kæde af operationer, hvor fejl ikke løber løbsk. Det offentliggjorte forsøg er et afgrænset bidrag til det problem. Det giver ikke i sig selv et svar på, hvornår kvantecomputere kan forbindes og bruges stabilt i stor skala.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.