Kvantfelkorrigeringsprotokoll

Kvantfelkorrigeringsprotokoll är en samling principer och metoder som syftar till att skydda kvantinformation mot fel som uppstår under lagring och beräkning, exempelvis genom decoherence, störningar eller mätfel. Eftersom information inte kan kopieras enligt kvantmekanikens no-cloning-teorem måste felhanteringen bygga på redundans genom entanglement snarare än klassisk kopiering.

Grunden är att en logisk kvantbit lagras i ett större antal fysiska kvanta och att fel kan detekteras och korrigeras utan att den logiska informationen avslöjas. Detta uppnås vanligtvis genom syndrommätningar av stabiliserare (stabilizers) som fångar upp vilka fel som har inträffat utan att mäta det egentliga tillståndet. Beroende på syndromet utförs sedan korrigerande enheter som återställer den logiska kvantbitens tillstånd. För att undvika spridning av fel mellan kvantsystem krävs ofta fault-toleranta strategier och noggranna circuit-design.

Vanliga koder inkluderar Shor-koden (9 kvantbitar) och Steane-koden (7 kvantbitar), vilka kan korrigera både bitfel och fasfel. Yt-koder (surface codes) används i tvådimensionella arkitekturer och har visat starka resultat i teoretisk felkorrigering med relativt höga feltrösklar. Stabiliseringskodenhetsramverket (stabilizer formalism) underligger många protokoll och gör det möjligt att beskriva fel med Pauli-operatorer.

Betydelse och utmaningar: kvantfelkorrigering utgör kärnan i fault-tolerant kvantberäkning och möjliggör långsiktig skala. Feltröskeln anger hur små felfrekvenser måste vara för att över tid kunna utföra beräkningar med god noggrannhet; teoretiskt gäller att noggrannheten kan förbättras med tillräckligt antal fysiska qubits, men overheaden är betydande. Praktisk implementering kräver pålitliga syndromläsningar, tåliga kvantregister och effektiva korrigeringsrutiner i olika fysiska plattformar som superconducting qubits, trapped ions och fotoniska system.