Delftse observatie brengt foutcorrectie quantumberekeningen dichterbij

Onderzoekers van QuTech in Delft hebben aangetoond dat de quantumtoestand van quantumbits langer bewaard kan blijven door herhaaldelijk observeren. Dit is van belang voor het vinden van fouten bij quantumberekeningen en daarmee voor het realiseren van een quantumcomputer.

De wetenschappers maakten voor hun onderzoek gebruik van het zogenoemde quantum-Zeno-effect, dat op zijn beurt verband houdt met Zeno's 'vliegende pijl'-paradox: continu opeenvolgende observaties registreren een bewegende pijl telkens in rust, waardoor deze feitelijk niet in beweging kan zijn. Bij het quantum-Zeno-effect speelt dat effect bij metingen. Herhaalde metingen van een quantumtoestand bevriezen het quantumsysteem als het ware in die toestand. De meting van een qubit in een superpositie van '0' of '1', leidt telkens tot een projectie van '0' of '1'.

De Delftenaren zetten dit in door niet slechts een enkele qubit, maar gedeelde eigenschappen tussen verscheidene qubits constant te observeren. De gedeelde eigenschappen zijn in te delen in subsystemen. Projecties van die subsystemen leiden tot bescherming van de quantumtoestanden en het onderdrukken van oncontroleerbare veranderingen, terwijl binnen zo'n systeem wel ruimte is voor quantumberekeningen.

QuTech maakt de vergelijking met het groeperen van driedimensionale objecten aan de hand van hun tweedimensionale schaduw. Transformeren binnen een groep van bijvoorbeeld kubus naar cilinder heeft geen invloed op de schaduw, maar de ongewenste veranderingen naar een bol kunnen worden onderdrukt.

De onderzoekers van QuTech maakten de quantum-Zeno-subsystemen op basis van drie kernspins in diamant en toonden hiermee aan dat de quantumtoestand langer kan worden bewaard bij een toenemend aantal projecties van gedeelde eigenschappen. De relatie geldt ook bij gebruikmaking van meer spins.

Het werk van het QuTech-team is onder andere van belang voor de verdere ontwikkeling van foutcorrectieprotocollen voor quantumberekeningen. Het detecteren en corrigeren van fouten is een grote uitdaging bij quantumberekeningen en de noodzaak neemt toe naarmate de quantumcomputer uit meer qubits bestaat. De eerste stapjes voor foutcorrectie nam QuTech in maart, toen het voor het eerst lukte om bij een meting fouten op te sporen en te verbeteren.

De nieuwe publicatie bouwt daarop voort, vertelt Julia Cramer, promovendus bij QuTech, die het voorgaande onderzoek publiceerde. "We maakten toen gebruik van hetzelfde systeem, maar vergeleken twee kernspins. Nieuw is nu dat we aantonen dat hoe vaker je meet, hoe meer je de toestand kunt bevriezen in de ruimte. Het werken met subsystemen maakt dat bepaalde evolutie nog wel mogelijk is en andere niet. Dat zorgt ervoor dat je metingen je iets kunnen leren over alleen de fouten, zonder dat de superpositie wordt aangetast." Volgens Cramer is verder bijzonder dat de onderzoekers een verstrengelde toestand tussen twee qubits konden laten zien in drie spins.

Het team van QuTech-wetenschappers, onder leiding van Tim Taminiau, publiceert vrijdag over zijn projectiemethode in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications onder de noemer Experimental creation of quantum Zeno subspace by repeated multi-spin projections in diamond.

Reacties (40)

Zelf een quantum computer progammeren helpt bij het verkrijgen van inzicht.
http://www.honingbijtjes....-de-ibm-quantum-computer/

Ik heb in http://www.honingbijtjes..../Doe-dit-niet-thuis-1.pdf een teleportatie quantum circuit beschreven en heb dit circuit gerund op de ibm quantumcomputer. De programmeeromgeving van de computer is een soort van cad programma voor quantum circuits, vervolgens wordt daar een qasm file van gemaakt en kan gerund worden.

Ik denk dat je dan statistisch gezien op hetzelfde uit komt en de state niet langer bewaard wordt. En je dus met vaker observeren niets wint. De kans dat de waarde gelijk is neemt toe per observatie naarmate de frequentie van observatie toeneemt, als ik het goed begrijp. Probleem is dat het aantal keren observeren ook toeneemt en je dus netto niets wint. Als het anders werkt, dan ga ik met al mijn geld naar het casino. Het klinkt me namelijk niet logisch. En dan nog het volgende "continu opeenvolgende observaties registreren een bewegende pijl telkens in rust" slaat naar mijn inziens op quantum niveau nergens op. zowiezo vind ik die zogenaamde paradox nergens op slaan, maar goed. Ik denk dat in deze virtuele realiteit de CPU sneller tickt met de planck time dan dat een onderzoeker de state van een Qbit kan observeren. Doe ik hier wel de aanname dat dit een virtuele op kans gebasseerde realiteit is... Model spreekt me beter aan dan quantum loop gravity of string theory. De wetenschap heeft ook tijd nodig om te ontwaken

Dit artikel doet me denken aan dat onderzoekers dachten te hebben aangetoond informatie sneller te hebben kunnen doen reizen dan het licht: https://en.wikipedia.org/...an-light_neutrino_anomaly
Hoe kun je in een computer informatie sneller verwerken dan dat de CPU tickt (lichtsnelheidslimiet is de kloksnelheid)?

[Reactie gewijzigd door Devoney op 7 oktober 2016 15:33]

Je verhaal komt over als een samenhangsel van losse dingen die je in popular science hebt gelezen. Ook draag je geen enkel wetenschappelijk argument aan ter onderbouwing van je scepsis. 'Ik denk', 'klinkt me namelijk niet logisch' en 'slaat naar mijn inziens nergens op' hebben natuurlijk geen enkele meerwaarde in deze discussie.

Het quantum Zeno effect wordt goed uitgelegd op Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_Zeno_effect Als een systeem zich in een staat A bevindt met een bepaalde kans om te vervallen in staat B, zullen opeenvolgende metingen van staat A deze kans naar nul laten gaan. Tussen metingen door zal de golffunctie van het systeem richting de eigenstaat van B evolueren, maar elke meting (die gedaan wordt terwijl het systeem nog in staat A is) zorgt ervoor dat de golffunctie weer terug vervalt naar de eigenstaat van A. Zo 'reset' je met elke meting het vervalproces naar staat B waardoor deze langer in staat A blijft. Hier is niks mysterieus aan, want er zijn meerdere experimenten die dit effect hebben aangetoond.

Als er iets is dat nergens op slaat dan is het wel je statement dat de wetenschap tijd nodig heeft om te ontwaken. Het is duidelijk dat je jezelf begeeft in een domein die je niet beheerst. Dat is niet erg, maar doe dan alsjeblieft niet alsof jouw theorieën, die vooralsnog geen wetenschappelijke onderbouwing hebben, beter zijn.

[Reactie gewijzigd door g0tanks op 7 oktober 2016 21:25]

Quantum computing is geen pseudo-wetenschap waar iedereen een loopje kan nemen met de waarnemingen en een eigen conclusie kan kneden.
Dat iemand hier op zijn plaats wordt gezet is niet uit gebrek aan respect, maar aan de wens om ons aan feiten te houden een productieve discussie te bewaren zonder teveel ruis.
Dat jij een soort 'iedereen is welkom' gevoel wil creëren is lief, maar daarmee zet je leken op gelijke voet met kenners. En met een paar beroemde quotes kan je dat niet redelijk doen lijken.

@g0tanks, bedankt voor je reactie. Met deze reactie wil ik het meer onderbouwen.

Stel je hebt een virtuele realiteit. Neem GTA V om een beetje tot de verbeelding te spreken. De CPU (of GPU, maakt neit uit) staat te stoken en vanalles te berekenen. Als je dan met 1000 fps kijkt, terwijl je de game met 70 fps wordt gerendered, dan lijkt het wellicht of iets stil staat voor 1000/70=14 frames (of soms 15). Ik doel hier op het Quantum Zeno effect. Hoewel het lijkt alsof er niks gebeurt, staat die CPU wel te stoken en te rekenen en komt er een moment waarop het beeldscherm het volgende frame laat zien. Met telkens het scherm te observeren op hoge frequentie wordt de staat van het rekenwerk van de CPU en het geheugen niet gereset. Nou is dit voorbeeld een gesloten determenistisch systeem. Op het moment dat er kans aan toegevoegd wordt. Dan is de kans het grootste dat het lichaam wat ik bewoon nu hier achter de computer zit. Er is ook een kans dat ik opeens heel even voor een fractie van de tijd onder het buro zit. Als mijn collega dan naar mij kijkt, dat ik hier achter het buro zit, ipv eronder. Blijf ik dan langer achter het buro zitten wanneer mijn collega vaker kijkt? Ik denk dat de kans wordt verkleind per observatie als de frequentie van observeren omhoog gaat. Want zou je het verval van een atoom tegen kunneng aan door het met een gigantische frequentie te observeren? Ik denk van niet. Ik denk dat de atoom toch een keer vervalt.

Overigens is het niet mijn bedoeling om iets van de wetenschap te beledigen ofzo. Ik denk alleen dat het virtuele realiteit model beter past dan string theory of quantum loop gravity.

Ik wou dat ik dit kon volgen....

(Tip:) YouTube --> Kurzgesagt --> Quantum Computers Explained (ik zit op mijn telfoon en op school dus kan nu geen linkje plaatsen, sorry)

Kurzgesagt is wel heel erg basic. Ik ben van mening dat PBS spacetime (https://m.youtube.com/channel/UC7_gcs09iThXybpVgjHZ_7g?) wat beter werkt aangezien al die andere filmpjes niet verder gaan dan "Kan ook een 1 en een 0 tegelijk zijn", wat na een tijdje gewoon strondvervelend wordt aangezien je verder dan dat wilt gaan. Na PBS space time wil ik iedereen aanraden de courses van Leonard Susskind (https://m.youtube.com/pla...Pds1fm91Dmn8x1lo-O_kpZGk8) te bekijken met als ondersteuning de physics en q-physics course op Khan academy (https://www.khanacademy.org). Dan daag je je zelf echt uit er leer je nog eens wat in plaats van alleen te weten wat superpositie is en hoe de double slit theory werkt.

Dank! Mooi spul voor bij natuurkunde bovenbouw VWO. Ze zullen niet alles doorhebben maar een basis ervan kunnen ze wel kennis mee maken.

Deze vind ik persoonlijk ook verhelderend:
https://www.youtube.com/watch?v=Y6TlKUn1zlw

Kurzgesagt is wel heel erg basic.

Kurzgesagt betekent dan ook "in het kort gezegt"

Here you go : https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28

Thnx

Als je dit echt wil volgen moet je je erin gaan verdiepen. Kost misschien wat tijd en moeite, maar uiteindelijk kan je het in grote lijnen gewoon volgen

Een wijs man* heeft eens gezegd:
"If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics."

edit: *Algemeen wordt aangenomen dat Richard Feynman dit heeft gezegd alhoewel sommigen de quote aan Niels Bohr toeschrijven.

[Reactie gewijzigd door bouwmr op 7 oktober 2016 12:39]

Ik wil hieraan toevoegen dat de mysterieusiteit van kwantummechanica wel vaak wordt overdreven, voornamelijk door schrijvers van popular science. Een voorbeeld hiervan is kwantumverstrengeling, wat door Einstein ook wel 'spooky action at a distance' wordt genoemd. Vaak wordt geschreven dat dit zou leiden tot communicatie sneller dan het licht, terwijl Einstein juist zei dat niks sneller dan het licht kan! Dit is helemaal niet zo mysterieus en kan worden opgelost door de no-communication theorem.

Nou, het verstrengeld zijn van twee deeltjes die op een paar honderd kilometer afstand van elkaar die elkaars toestand overnemen toch wel erg mysterieus.

Wie zegt dat die deeltjes in een hogere dimensie niet gewoon aan elkaar zitten?
Er is nog een hoop uit te zoeken in de natuurkunde.

En dat is mysterieus, want dusver kunnen we nog niet echt een hogere dimensie (of andere in het algemeen) dimensies aantonen, dat is ook nog alleen maar een theorie. Het zou allemaal een stuk minder 'spooky' en mysterieus zijn, als we dat soort dingen zeker wisten en kunnen bewijzen.

Het hangt er een beetje vanaf wat je hogere dimensies noemt. Locatie in drie dimensies plus tijd als enkele dimensie is in ieder geval voor veel observaties onvoldoende informatie; in die zin 'zijn' er dus meer dimensies, voor zover we nu weten. We weten ook dat er verschillende krachten zijn die op 'deeltjes' inwerken, waarbij de 'ruimte' niet hetzelfde is per kracht. Echter is ieder van die ruimtes volgens mij 3D. Ik weet er niet al te veel van, maar volgens mij leven fotonen nog altijd in de ruimte zoals wij die ons voorstellen. Echter leeft gravitatie in een ruimte die niet gelijk loopt met die van het licht. Vandaar ook de term 'donkere materie' = geen interactie met licht.

Precies, het is dus mysterieus!

Je hoeft het niet zozeer te snappen, maar als je het graag wil volgen dan zul je er enigsinds tijd in moeten steken.

Niels Bohr zei: If quantum mechanics hasn't profoundly shocked you, you haven't understood it yet.

Richard Feynman zei: If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics.

Beide wijze mannen, dus ik denk dat het niet heel veel uitmaakt

Als ik het goed begrijp:

Het draait erom dat de qubits een zogenaamde quantumtoestand hebben. In plaats van 1 of 0 zoals een gewone bit, kan er een superpositie van beiden zijn.

Het probleem is dat er bij het observeren, deze toestand terugvalt in of 1 of 0.

Door middel van het observeren van onderlinge effecten tussen qubits, kunnen ongewenste veranderingen in de toestand van een qubit worden gedetecteerd, zonder dat de qubit zelf wordt beinvloed (wat bij het observeren wel gebeurt)

Dus als we de Qubit observeren dan heeft het een toestand van 0 of 1. En wanneer we dit niet doen dan heeft hij een superpositie (tussen 0 en1)?

Dat kan hij hebben. Een qubit is niet altijd in superpositie. Hij kan ook gewoon 0 of 1 zijn.

Dat, en in aanvulling daarop: al vele keren verschillende soorten uitleg bestudeerd, maar elke keer als ik enigszins het gevoel heb dat ik er misschien iets van volg is er een nieuwe ontwikkeling en echt, werkelijk geen idee wat en hoe...

Maar ik wil 't best nog eens proberen :-) Mocht iemand een linkje hebben naar een mooie populair wetenschappelijke uitleg dan graag.

Dat is een van de fundamentele problemen in de wereld. Er is een soort priesterklasse van Zeer Geleerde en Gerespecteerde Mannen (meestal toch wel mannen) die super gespecialiseerd zijn in een vakgebied, of zelfs een deel van een vakgebied, of nog een sub- daarvan, die een soort mysterieuze, voor normale stervelingen onbegrijpelijk jargon spreken, dat alleen zinnig is voor ingewijden.

Voor de meeste mensen in de wereld staat het zo ver van ze af dat ze niet kunnen volgen. En dus zorgt wetenschap voor een spagaat. De meeste mensen zijn al blij als die dag de waterput schoon water heeft, terwijl de ander al bezig is een kwantum drive te bouwen om naar Proxima Centauri te reizen. En dan mag je blij zijn dat een groot deel van de wereldbevolking geen geld heeft voor een emissie-auto.

Ik vind dat wetenschap nut moet hebben en problemen oplossen. Laat maar zien op welke manier, voor wie, voor hoeveel mensen en waarom de kwantum computer zo geweldig zou zijn. Gaat het de armoede ondergrens van de mensheid omhoog stuwen zodat zelfs de meeste arme op Aarde tenminste een welzijnsniveau bereikt dat tenminste 50% beter is dan nu?

Ik denk dat de kwantum computer schadelijk is voor privacy, macht bij corporaties en overheden herdistribueert ten koste van de burger en ik denk ook dat de wetenschap voor zichzelf een leuk tooltje ontwikkelt waarmee ze nog sneller bepaalde kennis kunnen verzamelen, waar wij op onze burger-beurt dan niets aan hebben om gelukkig te worden.

Edit: aanwijzende voornaamwoorden fouten opgelost. Versie QC-01.

[Reactie gewijzigd door Vendar op 8 oktober 2016 11:16]

katten die wel of niet dood zijn, vliegende pijlen die niet bewegen (of wel), observaties die uitkomsten (nu nog langer) beinvloeden, elektronen die aan de andere kant van de wereld ineens andersom gaan draaien, Je zou er pijn in je hoofd van krijgen. tegelijk met iemand die honderden kilometers verderop zit. of niet

Hoe dan ook, mooi dat er weer een doorbraak is. Ik kan niet wachten todat ik de rekenkracht van mijn huidige pc in mijn horloge heb.

Leuk dat je over die kat begint - ik had voor mezelf al de volgende vergelijking gemaakt: zo lang ik maar naar mijn kat kijkt jat-ie geen vlees. Maar als ik de andere kant op kijk....

Nu je dat zegt zit ik te denken.. Als observatie leidt tot een bepaald gedrag is er dan geen sprake van een bewustzijn of op z'n minst een soort detectie-mechanisme?

Door niet direct een bitje observeren, maar effecten ('schaduw') van een verzameling bits observeren, om te bepalen of één van de bitjes in de verzameling een (specifieke!) foute toestand is beland, omdat de som/uitkomst niet meer klopt.

Klink als verificatie via een hash, die alleen iedere 3e bit gebruikt, ofzo.

Is de kunst dan om genoeg perspectieven combineren om in iedere verzameling te bepalen welke bit precies 'fout' is? En dan nog even rekening houden met het idiote aantal (11? 12? 13?) perspectieven?

Ik dacht dat een van de pluspunten van quantum communicatie was dat deze niet onopgemerkt kan worden afgeluisterd.
Maar met deze theorie kan dat dan toch juist wel?

Je kan hoogstens vergelijken met wat al bekend is, wat handig is voor foutcorrectie in situaties waarbij directe observatie juist corruptie zou veroorzaken, maar niet om te bepalen wat er staat zonder vergelijkingsmateriaal.

Nog even wachten op een qbit 'rainbow table' voordat je kan afluisteren dus

Wat ik mij afvraag is dat als we over 10 jaar allemaal zo'n Quantum computer thuis hebben, de software anders ga reageren indien we zo'n glas in onze case hebben.

Want dan zijn we die particles toch constant aan het observeren?

Quantum computers zijn niet echt geschikt voor hyis tuin en keuken toepassingen. Hoewel ze extreem snel zouden moeten werken met simpele observaties omzetten in data zijn ze niet echt geschikt om applicaties op te draaien. Daarnaast komt ook nog het feit dat de deeltjes voor nu nog extreem koel gehouden moeten worden om de observaties niet te verstoren. Dat zie ik hier nog niet in de woonkamer gebeuren.

Zero point field

Op zich al blij dat er wat over Delft in het nieuws komt. Op TV en in kranten is er weinig te vinden over techniek en ict.

[Reactie gewijzigd door sensor10 op 7 oktober 2016 19:03]

De PR-tak van de TUD is gewoon heel erg goed. Ze doen daar (gemiddeld genomen) geen beter onderzoek dan elders, maar ze zijn wél beter in iedereen laten weten dat ze interessant onderzoek gedaan hebben. Ik weet niet of je het T.net (waarvoor dit niet bepaald core business is, maar gewoon "leuk om ook eens wat over te zeggen") kwalijk kunt nemen dat ze onderzoek van andere universiteiten en instituten vaak over het hoofd zien. Als je zelf een geniale paper uit Eindhoven, Enschede of Leuven langs ziet komen, dan staat het je natuurlijk altijd vrij om die in de nieuwssubmit te gooien!