Wetenschappers maken kwantumsysteem dat zelf fouten kan corrigeren

Amerikaanse wetenschappers hebben een systeem ontwikkeld om fouten in kwantuminformatie op te sporen en deze ook te corrigeren, iets wat noodzakelijk is voor de ontwikkeling van de kwantumcomputer. De onderzoekers werken samen met Google.

Het gaat om een systeem dat werkt met in totaal negen qubits, elementaire deeltjes die in kwantumcomputers worden gebruikt voor de opslag van informatie. Conventionele bits kunnen alleen de waarden 0 en 1 aannemen. Door het principe van superpositie kunnen qubits daarentegen alle mogelijke waarden tegelijkertijd aannemen, zolang er geen meting plaatsvindt. Dit principe maakt een kwantumsysteem echter ook gevoelig voor verstoringen.

Onderzoekers van de University of California in Santa Barbara hebben nu in hun kwantumsysteem een manier ingebouwd om fouten in informatie, die is opgeslagen in qubits, op te sporen en deze vervolgens te corrigeren. Meerdere qubits werken samen en slaan dezelfde informatie op: vervolgens wordt deze informatie met elkaar vergeleken. Er wordt gedetecteerd of een qubit afwijkt van de rest. Daarbij hoeft de feitelijke kwantumstaat niet te worden opgemeten, wat het principe van superpositie zou verstoren. Op deze manier kan toch de juiste informatie worden uitgelezen.

Volgens de wetenschappers heeft Google inmiddels al interesse getoond in het onderzoek. Zij werken intussen samen met de internetgigant. Mogelijk heeft het bedrijf interesse in het systeem voor een toepassing in kwantumcomputers. Opsporing en correctie van fouten is belangrijk voor de ontwikkeling hiervan: momenteel is het nog niet mogelijk om qubits lang genoeg te bewaren om als opslag van informatie te dienen.

Reacties (30)

[Themperror]

Is waargenomen door een machine ook waargenomen?

Als in.. Werkt superpositie alleen als iets organisch het ziet? of ook als een camera het ziet?
Klinkt raar als je er zo over denkt.., Hetzelfde idee met schrodingers cat.. Als je er een camera in zet.. is ie nogsteeds in superpositie?

[biebelebons]

Zie t als informatie afgeven.

Stel je voor; ...'een subatomair iets' is als een collectie informatie zoals goud bestaat uit een collectie goud atomen.

Als ik je van mijn plak goud een paar atomen geef dan is mijn plak goud niet excact meer wat t was.


Stel je dan eens (of nogmaals) voor dat subatomaire dingen uiteindelijk worden samen gesteld uit informatie.

Informatie die (min of meer) als volgt is op gebouwd.

Één informatie bit is niets zeggend.

Twee informatie bits behelsen ,elk afzonderlijk, informatie over hun typische "verstandhouding/relatie" tenaanzien van de andere bit.

Drie informatie bits behelsen, elk afzonderlijk, informatie over hun typische verstandhouding /relatie tenaanzien van de andere twee bits.

Etc etc...

Elke informatie bit bevat opzichzelf en uiteindelijk informatie over alle andere bits in het systeem.

Het holografische principe is geboren.

Stel je dan eens t volgende voor...

Nu bij transport van concentraties van deze informatie (klinkt als; afgeven van informatie) veranderd de locale samenstelling van deze informatie plus dat de informatie in ALLE bits (in heel het universum!!) deze veranderde situatie ook mee krijgen.

De catch zit in het gegeven dat er door bewust wording/observatie een brug wordt geslagen van micro(eigenlijk Planck!!) naar macro schaal.

De locale informatie (planck schaal) komt door observatie(de brug) in een niet locale staat en ondergaat(of eerder dit is) een stap in entropie qua informatie distributie die zo enorm is dat deze staat (die we dan voor t gemak super positie noemen) naar een (local) lagere staat vervalt, dus geen (zogenoemde)super positie meer kan voortzetten. Omdat er eenvoudig gezegd te weinig (local) informatie voor aanwezig is. Deze informatie is als het ware verwaait.

Maar goed...zo ongeveer...klinkt als..
Have a Nice day


Oja...
De kunst in deze opstelling is dat de informatie niet direct maar in direct wordt uitgelezen.
Meerdere daarvoor aangestelde qubits (clonen van het orgineel) worden doormiddel van quantum gates met elkaar vergeleken.

Als daar de uitkomst 1=1 uit voortkomt heb je geen quantum staat uitgelezen enkel bevestigd gekregen dat; what ever it may be..hun staat gelijk is.

Wanneer de uitkomst 1=0 (en ja dat kan in de quantum wereld!) dan weet je dat je quantum data is vervallen tot een onbruikbaar geheel.
Vervolgens heb je meer clonen van het orgineel om deze bij de uitkomst 1=1 als origineel in te zetten.

En ook hier weer ietwat beknopt samen gevat.

[Reactie gewijzigd door biebelebons op 25 juli 2024 22:18]

[Nazaiaow]

Wow, nee, ongeveer alles wat je zojuist hebt gezegd is in strijd met kwantumtheorie...

Hoe het precies zit met waarnemingen is iets waar huidige wetenschappers het over oneens zijn, danwel eigenlijk geen flauw idee hebben wat er gebeurt. De 'detector' in kwantum informatie theorie is altijd een soort mystiek apparaat dat de toestand van een kwantumdeeltje (qubit) of systeem laat vervallen in een van zijn mogelijke toestanden.
Eerste zin van het Wikipedia artikel: "The issue of measurement lies at the heart of the problem of the interpretation of quantum mechanics, for which there is currently no consensus."[1]


Huidige metingen (Quantum Demolition Measurement)
Zoals de naam van dit soort metingen al doet vermoeden: je maakt dingen kapot. Door de toestand met de detector uit te lezen vernietig je in principe de toestand. In het geval van een fotondetector (een van de meest gebruikte apparaten) annihileer je het licht tijdens het uitlezen. Je weet dus heel goed de toestand van je deeltje, maar je bent helaas ook je deeltje kwijt...

Toepassing van deze metingen voor foutcorrectie
Hoe kan je nou precies voorkomen dat je, zonder je toestand te slopen, je toch dingen over je toestand te weten kan komen en fouten kan corrigeren? De truc zit hem in weer een kwantumeigenschap: verstrengeling. [2, 3] ([3] is trouwens echt een awesome boek!)
Wat je in principe doet is tijdens het coderen van informatie is drie qubits in dezelfde toestand zetten, bijvoorbeeld a| 1 1 1 > + b| 0 0 0 >. Dit zou dus voor '1' moeten coderen. Wat je hierbij moet weten is dat deze qubits nu al met elkaar verstrengeld zijn. Als je een van de drie zou meten, dan vervallen alle andere qubits ook in deze toestand, en je hebt dan dus je toestand gesloopt. (Ze vervallen ofwel in | 1 1 1 > of | 0 0 0 > met kansen |a|^2 en |b|^2).

Stel nou dat terwijl je je informatie door je systeem heen laat lopen dat perongeluk een van deze qubits zichzelf draait, waardoor we a|0 1 1> + b|1 0 0 > krijgen bijvoorbeeld.

Dit willen we goed zetten. Je maakt nu nog 2 extra qubits, zogenaamde ancilla qubits, die je prepareert in een voor jou bekende toestand. Een van deze ancilla qubits verstrengel je met het eerste paar qubits, en de andere verstrengel je met het tweede paar qubits. Je hebt nog geen meting uitgevoerd op deze manier.
Vervolgens vergelijk je de toestand van deze twee ancilla qubits met elkaar, ze kunnen zich allebei in dezelfde toestand (even, dan hoef je niets te doen, alle qubits zijn gelijk) of in een andere (oneven) toestand bevinden. Door de ancilla's met elkaar te vergelijken weet je nog niets van het systeem, behalve dat een van de informatie-qubits zich in 'een andere' toestand bevindt dan de rest.
Nu, doordat je dit weet, weet je ook dat je een van de informatie-qubits moet draaien. Dit kan ook zonder een meting uit te voeren. Als je je qubits eenmaal gedraaid hebt, dan klopt het systeem weer om naar de volgende stap te gaan.

Noot: de methode hier door mij beschreven is volgens mij niet wat ze in dit experiment gebruiken. Hier gebruiken ze een grid aan kwantumtoestanden die ook weer op slimme wijze met elkaar verstrengeld zijn, maar dat is nog vele malen lastiger uit te leggen... Wil je meer weten: lees het artikel en waarschijnlijk ook [6, 7]

Mijn uitleg is niet heel wiskundig, maar dat kan ook vrij lastig in zo'n reactieveldje. Mocht je meer willen weten, dan is een cursus Quantum Information Processing heel erg gaaf om te doen, of [3] helemaal van voor tot achter doorlezen.

Quantum No-Cloning theorem
Een van de dingen in je reactie waar ik een beetje chagrijnig om werd is je gebruik van het woord 'klonen'. Dit kan niet met kwantuminformatie! [4, 5]
Het hele idee dat je toestanden niet kan kopiëren is de hele basis van het kwantum-internet met al dat veilige communiceren gebeuren.

1. http://en.wikipedia.org/w...ment_in_quantum_mechanics
2. Peter W. Shor (1995) http://journals.aps.org/p...10.1103/PhysRevA.52.R2493
3. Nielsen M., Chuang I. Quantum Computation and Quantum Information
4. W. K. Wootters & W. H. Zurek (1982) http://www.nature.com/nat...9/n5886/abs/299802a0.html
5. http://en.wikipedia.org/wiki/No-cloning_theorem
6. http://online.kitp.ucsb.e...s_QControl13Conf_KITP.pdf
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Stabilizer_code

[Reactie gewijzigd door Nazaiaow op 25 juli 2024 22:18]

[koelpasta]

Een van deze ancilla qubits verstrengel je met het eerste paar qubits, en de andere verstrengel je met het tweede paar qubits. Je hebt nog geen meting uitgevoerd op deze manier.

Wat ik dan niet begrijp is waarom de originele informatie niet verloren gaat door de nieuwe verstrengeling. Ik dacht namelijk dat meten/observeren niet anders is dan het verstrengelen van het meetobject met het meetapparaat (waarbij dus de quantumtoestand van het meetobject tot een zekere waarde vervalt).

[Nazaiaow]

Korte uitleg: Een verstrengeling is geen meting.

Lange uitleg:
(Ik gebruik Dirac notatie [1] en een beetje kennis van lineaire algebra is zeker handig)
Stel we beginnen met de toestand |ψ> = a|1 0 > + b|0 1 >.

We prepareren een ancilla in de grondtoestand: | c > = | 0 >

Onze totaaltoestand is nu dus (vlnr: qubit 1, qubit 2, ancilla)

a|1 0 0> + b |0 1 0>

Verstrengeling van het eerste paar gebeurt door eerst de ancilla met een C-NOT gate [2] te verstrengelen met de eerste qubit: (het eerste symbool hier is qubit 1, het tweede is de ancilla)

CNOT (a|10> + b|00>) = b| 0 0> + a | 1 1 >

Dit levert een totaaltoestand op van

b | 0 1 0> + a | 1 0 1>

(qubit 1 en 2 zijn met elkaar verstrengeld, dus die behouden in relatie tot elkaar dezelfde toestand)

We passen nu hetzelfde trucje toe, maar dan met qubit 2:

CNOT ( (a|0 1 > + b|1 0>) = a |0 1> + b |1 1>

Wat dus, rekening houdend met de verstrengeling van 1 en 2 de totaaltoestand oplevert:

a |1 0 1> + b | 0 1 1> = (a | 1 0> + b |0 1>)|1>

Als we nu dus de ancilla meten, dan krijgen we hoe dan ook de toestand '|1>' daarvoor terug (aangevend dat de twee qubits ongelijk zijn aan elkaar). De toestand vervalt nu tot

a | 1 0> + b |0 1>

Precies waar we mee begonnen waren!

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Bra–ket_notation
2. Een C-NOT gate is een leuk apparaatje dat 'gecontroleerd' qubits draait. Simpel gezegd: stel je hebt een controle qubit |a> en een target qubit |b>, als de controle qubit |1> is, dan zal hij de toestand van de andere qubit draaien. Oftewel:
CNOT | 00> = |00>
CNOT |01> = |01>
CNOT |10> = |11>
CNOT |11> = |10>
Omdat dit een algemene operatie is (als het onbekend is wat je erin stopt, dan is het ook onbekend wat er precies uitkomt) is dit geen meting. Je toestand vervalt dus niet in dit apparaat.

[Reactie gewijzigd door Nazaiaow op 25 juli 2024 22:18]

[biebelebons]

"Wow, nee, ongeveer alles wat je zojuist hebt gezegd is in strijd met kwantumtheorie... "
Het is jammer dat je dit zegt want dat is niet waar.

Ik reflecteerde hierover (hoofdzakelijk) vanuit t holographic principle.

----knip/plak
Entropy, if considered as information (see information entropy), is measured in bits. The total quantity of bits is related to the total degrees of freedom of matter/energy.

For a given energy in a given volume, there is an upper limit to the density of information (the Bekenstein bound) about the whereabouts of all the particles which compose matter in that volume, suggesting that matter itself cannot be subdivided infinitely many times and there must be an ultimate level of fundamental particles. As the degrees of freedom of a particle are the product of all the degrees of freedom of its sub-particles, were a particle to have infinite subdivisions into lower-level particles, then the degrees of freedom of the original particle must be infinite, violating the maximal limit of entropy density. The holographic principle thus implies that the subdivisions must stop at some level, and that the fundamental particle is a bit (1 or 0) of information.

----
(En..Inderdaad het tweede gedeelte van mijn tekst dat is incorrect)

Maar door je snelle conclusie heb je veel over het hoofd gezien.

Want om me volledig te begrijpen had ik of heel ingewikkeld kunnen doen of jij had op zijn minst op de hoogte moeten zijn van Hibert's tenth problem en de Posch Teller Potentials BasedSolution hierop.
Waaruit duidelijk naar voren komt dat het functie domein van deze technologie op sub planck schalen zal komen te liggen.

En dan nog..
het concept informatie units en distributie op deze hele kleine schaal is gewoon beter uit te leggen dan vanuit het schaal niveau van de quantum theorie.

[Reactie gewijzigd door biebelebons op 25 juli 2024 22:18]

[biebelebons]

Ja non-cloning is leuk maar daar is niet iedereen het mee eens;

The no cloning theorem prevents an interpretation of the holographic principle for black holes as meaning that there are two copies of information, one lying at the event horizon and the other in the black hole interior. This leads to more radical interpretations, such as black hole complementarity.

Non-cloning theorem heeft te maken met get your cause and effect straight.
Want je wilt t niet moeilijker maken dan t al is.
En ook daar is heel veel op aan te merken.

Zoals Amy Noether (van Noether;s Theorem) al samen werkend met Einstein hem heeft voorzien in "van gedachten naar forumule"

In eerste instantie was de quantificering van dit gedachtengoed prachtig voor Einstein echter dezelfde quantificering was wat hem de nek om deed in de vorm van een afgeleide van zijn werk; de "Kwantum Theorie"

Dat dit Noethers theorem heeft geleid naar twee verschillende disciplines is mooi voor de werkbaarheid echter dicteert de werkelijkheid zoals deze is gewoon zwarte gaten t bestaan in zowel met en zonder dit theorem en zowel met en zonder bohr of einstein

Dit zelfde geld voor het No Cloning theorem.
Het maakt t werkbaar.

[Reactie gewijzigd door biebelebons op 25 juli 2024 22:18]

[baje]

Ik wil het graag begrijpen, maar eerlijk gezegd begrijp ik het niet. Zou je dit op een nog simpelere manier kunnen uitleggen?

[Siaon]

Het komt er op neer dat je de gegevens niet kunt aflezen zonder het systeem te beinvloeden.

Misschien is het volgende enigszins beeldend voor u:

Een kamer met een deur, binnen de kamer wordt de informatie gestapeld met zeer lichte blokjes. Het open doen van de deur om de informatie uit de kamer te lezen blaast blokjes tevens om.

Wellicht helpt het ook om het 'aflezen' zelf verder te duiden:

Stel u voor, u bent blind. Om uw omgeving af te lezen zult u moeten rondtasten. Een tafel, een bloempot, een baksteen, dat lukt allemaal wel met uw handen zonder dat deze echt slijten of kapot gaan. Een mug is echter al onherstelbaar beschadigd.

'Aflezen' is niet een abstract iets, net zoals u deze pagina kunt lezen omdat er licht van de monitor afkomt wat in uw ogen wordt gedetecteerd, zal er ook iets moeten gebeuren met de deeltjes waarmee informatie wordt opgeslagen. Net zoals een CD wordt uitgelezen met behulp van een laser (lichtstraal). Op kleinere schalen doet zelfs dit licht echter wat met het medium waarop/in de informatie zit, en dat maakt alles gecompliceerd.

[doltishDuke]

Is dit vergelijkbaar met de theorie, ik meen dat ie van Einstein of Newton was, dat waarnemen of meer specifiek meten altijd de waarde verstoord onder het mom van actie is min-reactie?

Ik kan me namelijk van middelbare school natuurkunde nog herinneren dat het zo werd uitgelegd dat zou je bijvoorbeeld de afstand tussen object A en B precies willen meten, je ze aan zou moeten raken. Die aanraking zou de positie veranderen en dus zou de meting nooit kunnen kloppen.

Of is dit een compleet ander principe gezien het hier niet om de 'quantum wereld' gaat?

[slaapkopje]

werner karl heisenberg, pionier in de quantum mechanica, beschreef het onzekerheids principe. Als je het meet beinvloed je de quantum staat.

[Themperror]

Uitendelijk net iets als .par files doen met rar bestanden? (om het erg simpel uit te leggen?)

[Mamoulian]

Het gaat niet om zien, het gaat om meten. Het is de manier waarop we zulke ongelooflijk kleine deeltjes (of golven) meten die het resultaat 'verstoort' of vastlegt. Het zien op zich is geen interactie met het deeltje ( maar die zijn zo klein dat er sowieso niets te zien valt ;-) )

(het is blijkbaar hierboven aanschouwelijker uitgelegd door @Siaon)

[Reactie gewijzigd door Mamoulian op 25 juli 2024 22:18]

[MacD]

Hier is een simpel truckje om quantummechanica iets duidelijker te maken (en te doen stroken met de realiteit): elke keer dat je zo'n artikel leest en het woord 'waarnemen' ziet, vervang je dat met het woord 'interactie'.

Dat wordt er namelijk mee bedoeld: een 'waarneming' in de QM is niets anders dan informatie verkrijgen door middel van interactie. En doordat je ergens mee interacteert, verstoor je vaak datgene wat je 'aanraakt'.

Zie het als het meter van de temperatuur van soep met een thermometer. Als je die in de soep steekt, verander je de temperatuur van de soep, doordat de thermometer een andere temperatuur heeft dan die soep. Nu is dit in het geval van soep een klein verschil, maar in de QM veranderd dit vaak de staat van het deeltje welk gemeten wordt.

Wat men hier dus heeft gedaan is een warnemeing die niet destructief is; bijvoorbeeld door de soeptemperatuur te meten door middel van een IR camera om de temperatuur te meten, waardoor het systeem dusdanig niet wordt veranderd door de interactie dat de meting de te meten waarde niet verstoort (al doet zelfs een IR meting dat wel, doordat je met je meting enen miniscuul beetje energie aan het systeem onttrekt, al heeft dit op de soep een niet te merken verschil).

[plankhorst]

Toch begrijp ik dan niet hoe met behulp van qubits dan kwantumdata gerepareerd zou kunnen worden zonder dit af te mogen lezen. Of is het simpelweg gewoon het dubbel opslaan van data en dan vervolgens slechts één kopie van de data controleren waardoor dus de andere kopie zou blijven bestaan?

[Reactie gewijzigd door plankhorst op 25 juli 2024 22:18]

[Foamy]

Ik vermoed dat ze een raid like systeem hebben gebouwd. Op quantum niveau.

[moozzuzz]

Zoals ik het begrijp werken ze redundant en checken ze nadien (of tussendoor) of de uitkomst gelijk is, zonder daadwerkelijk de uitkomst zelf "te lezen". In het voorbeeld van de rar-file (hieronder door Peoplen) : de hash of de filesize of de filelist wordt vergeleken zonder de rar daadwerklijk te openen.

[Peoplen]

Toch begrijp ik dan niet hoe met behulp van qubits dan kwantumdata gerepareerd zou kunnen worden zonder dit af te mogen lezen.

Repareren is het verkeerde woord is in dit verband. Ik lees het in ieder geval als volgt: Het proces wordt redundant uitgevoerd en ze pakken de qubit welke het vaakst naar voren komt. Ze repearen ze de qubit niet, wat niet zou kunnen omdat je hem anders zou moeten uitlezen, als een rar bestand uitpakken.

Om in het voorbeeld ingepakte bestanden te blijven: ze hebben een manier gevonden om een ingepakte rar te scannen op fouten (denk aan 'par') zonder hem uit te hoeven pakken. Kan verder ook alleen maar hopen dat ik in de buurt zit met deze theorie

[Douweegbertje]

Ja er mist hier gewoon wat informatie. Ik ben overigens geen expert maar het komt er op neer dat je de informatie verspreid op 9 qubits waar dus ook de 'error controle' gebeurt. In feite lees je een bepaalde eigenschap uit om te achterhalen wat er fout ging en/of fout is. In feite staat het niet in raid zoals hieronder wordt gedacht, maar 'gebruik' je meerdere bits om informatie te winnen in het proces om te achterhalen OF er iets fout is gegaan.
Zie het meer als kans rekenen waarbij je bepaalde zaken elimineert om uiteindelijk een 100% antwoord te behalen over wat het is.

In feite het zelfde als je computer stuk is, waarbij je bijvoorbeeld eerst je geheugen eruit haalt om te zien of hij dan wel opstart. Zo nee, dan weet je al dat je geheugen goed is zonder dat je daadwerkelijk het geheugen hebt bekeken. Zo ga je eigenlijk stap voor stap verder, en ja ook hierbij is het mogelijk dat zowel je geheugen als bijvoorbeeld CPU stuk is gegaan

Hier is nog een leuke paper: http://www.physics.ox.ac....trap/pubs/Steane_2006.pdf

Alleen zo vaak met kwantum is het gewoon enorm moeilijk te begrijpen omdat het vrijwel niet tastbaar is Ik zelf lees er af en toe in, maar als ik allerlei wiskundige formules zie, houdt het voor mij ook helaas op.

[Reactie gewijzigd door Douweegbertje op 25 juli 2024 22:18]

[larscw]

Dit document op nature.com geeft meer uitleg.

http://www.nature.com/art..._referrer=www.nytimes.com

[EnderQ]

Als ik het goed begrijp hebben ze (data qubits) buren qubits die dezelfde toestand aannemen als de data qubits zonder ze te "meten" wat de toestand van de qubits onbruikbaar zou maken, en die "pariteit/parity" qubits kunnen vergeleken worden met de originele niet quamtum data waarmee fouten kunnen worden bepaald.

[Floor]

Het onderzoek naar kwantumcomputers (door o.a. Google) is uitstekend te rijmen met de ontwikkeling van Deep Learning.
Luister naar deze uitzending op de BBC van afgelopen week. Erg verhelderend.

[niki_lauda]

IK hoop dit ooit te kunnen begrijpen.

[ArcticWolf]

ik zat ook ff wtf...

dit is zo raar:

Door het principe van superpositie kunnen qubits daarentegen alle mogelijke waarden tegelijkertijd aannemen, zolang er geen meting plaatsvindt‏.
*knip*
Meerdere qubits werken samen en slaan dezelfde informatie op: vervolgens wordt deze informatie met elkaar vergeleken. Er wordt gedetecteerd of een qubit afwijkt van de rest. Daarbij hoeft de feitelijke kwantumstaat niet te worden opgemeten, wat het principe van superpositie zou verstoren.

[Reactie gewijzigd door ArcticWolf op 25 juli 2024 22:18]

[Feanathiel]

Wellicht gerelateerd hiermee? http://phys.org/news197873165.html

Beetje jammer dat het artiekel zelf daar niks over schrijft.

[Diablo_GT]

Verklaar me gek, maar het eerste wat bij mij opkwam was 'Skynet, here we come!"

[Durandal]

Skynet had niets met quantumcomputers te maken maar met een Singularity event. Dat kan ook met gewone computers (gaan we vooralsnog van uit).

[suprcow]

De een noemt het magie of fantasie, een ander noemt het "voorstellings-vermogen".