De bedste qubits til kvanteberegning er måske bare atomer | Quanta Magasinet

I slutningen af ​​sidste år annoncerede teknologigiganten IBM, hvad der kunne lyde som en milepæl inden for kvanteberegning: den første chip nogensinde, kaldet Condor, med mere end 1,000 kvantebits eller qubits. I betragtning af, at det var knap to år efter, at virksomheden afslørede Eagle, den første chip med mere end 100 qubits, så det ud, som om feltet kørte fremad. At lave kvantecomputere, der kan løse nyttige problemer ud over omfanget af selv de mægtigste af nutidens klassiske supercomputere, kræver at skalere dem endnu mere op - til måske mange titusinder eller hundredetusinder af qubits. Men det er vel bare et spørgsmål om teknik, ikke?

Ikke nødvendigvis. Udfordringerne ved at opskalere er så store, at nogle forskere tror, ​​at det vil kræve en helt anden hardware end den mikroelektronik, der bruges af IBM og Google. Qubit'erne i Condoren og i Googles Sycamore-chip er lavet af løkker af superledende materiale. Disse superledende qubits har hidtil været haren i kapløbet om fuldskala kvanteberegning. Men nu kommer der en skildpadde bagfra: qubits lavet af individuelle atomer.

Nylige fremskridt har transformeret disse "neutral-atom qubits" fra outsidere til førende konkurrenter.

"De sidste to eller tre år har set hurtigere fremskridt end nogen tidligere sådan periode," sagde fysikeren Mark Saffman fra University of Wisconsin, Madison, som talte mindst fem virksomheder, der løb for at kommercialisere neutral-atom kvantecomputere.

Ligesom bits i almindelige computere koder qubits binær information - 1'er og 0'er. Men hvor en bit altid er i den ene eller den anden tilstand, kan informationen i en qubit efterlades ubestemt, i en såkaldt "superposition", der giver vægt til begge muligheder. For at udføre en beregning forbindes qubits ved hjælp af det fænomen, der kaldes kvantesammenfiltring, hvilket gør deres mulige tilstande indbyrdes afhængige. En bestemt kvantealgoritme kan kræve en række sammenfiltringer mellem forskellige sæt qubits, og svaret udlæses i slutningen af ​​beregningen, når der foretages en måling, og kollapser hver superposition ned til en bestemt 1 eller 0.

Ideen om at bruge neutrale atomers kvantetilstande til at indkode information på denne måde var foreslog i begyndelsen af ​​2000'erne af Harvard-fysikeren Mikhail Lukin og kolleger, og også af en gruppe ledet af Ivan Deutsch fra University of New Mexico. I lang tid var det bredere forskersamfund enige om, at neutral-atom kvanteberegning i princippet var en god idé, sagde Lukin, men at "det bare ikke lykkes" i praksis.

"Men 20 år senere har de andre tilgange ikke lukket aftalen," sagde Saffman. "Og de færdigheder og de nødvendige teknikker for at få neutrale atomer til at fungere har gradvist udviklet sig til det punkt, hvor de ser meget lovende ud."

Lukins laboratorium på Harvard har været blandt de førende. I december kom han og hans kolleger rapporteret at de skabte programmerbare kvantekredsløb med hundredvis af neutral-atom qubits og havde udført kvanteberegninger og fejlkorrektion med dem. Og i denne måned et team på California Institute of Technology rapporteret at de lavede en række af 6,100 atomare qubits. Sådanne resultater vinder i stigende grad konvertitter til denne tilgang.

"For ti år siden ville jeg ikke have inkluderet disse [neutral-atom]-metoder, hvis jeg afdækkede væddemål på fremtiden for kvantecomputere," sagde Andrew Steane, en kvanteinformationsteoretiker ved University of Oxford. "Det ville have været en fejl."

Slaget ved Qubits

Et nøglespørgsmål i konkurrencen mellem qubit-typer er, hvor længe hver slags qubit kan bevare sin superposition, før den ændres af en tilfældig (for eksempel termisk) udsving. For superledende qubits som IBM's og Googles er denne "kohærenstid" typisk omkring et millisekund i bedste fald. Alle trin i en kvanteberegning skal ske inden for denne tidsramme.

En fordel ved at indkode information i individuelle atomers tilstande er, at deres kohærenstider typisk er meget længere. Desuden, i modsætning til superledende kredsløb, er atomer af en given type alle identiske, så skræddersyede kontrolsystemer er ikke nødvendige for at indlæse og manipulere subtilt forskellige kvantetilstande.

Og mens de ledninger, der bruges til at forbinde superledende qubits til kvantekredsløb, kan blive forfærdeligt komplicerede - mere i takt med at systemet skaleres op - er der ikke behov for ledninger i tilfælde af atomer. Al sammenfiltringen udføres ved hjælp af laserlys.

Denne fordel var i første omgang en udfordring. Der er en veludviklet teknologi til at udskære komplicerede mikroelektroniske kredsløb og ledninger, og en sandsynlig grund til, at IBM og Google oprindeligt investerede i superledende qubits, er ikke, fordi disse åbenlyst var de bedste, men fordi de krævede den slags kredsløb, som sådanne virksomheder er vant til, sagde Stuart Adams, en fysiker ved Durham University i Det Forenede Kongerige, der arbejder med neutral-atom kvanteberegning. "Laserbaseret atomoptik så helt ukendt ud for dem. Al teknik er helt anderledes.”

Qubits lavet af elektrisk ladede atomer - kendt som ioner - kan også kontrolleres med lys, og ioner blev længe betragtet som bedre qubit-kandidater end neutrale atomer. På grund af deres ladning er ioner relativt nemme at fange i elektriske felter. Forskere har skabt ionfælder ved at suspendere ionerne i et lille vakuumhulrum ved ultralave temperaturer (for at undgå termisk jiggling), mens laserstråler skifter dem mellem forskellige energitilstande for at manipulere informationen. Ion-trap kvantecomputere med snesevis af qubits er nu blevet demonstreret, og flere startups udvikler teknologien til kommercialisering. "Indtil videre har systemet med den højeste ydeevne i form af troskab, kontrol og sammenhæng været fanget ioner," sagde Saffman.

Det er sværere at fange neutrale atomer, fordi der ikke er nogen ladning at holde fast i. I stedet er atomerne immobiliseret inden for felter af intenst lys skabt af laserstråler, kaldet optisk pincet. Atomerne foretrækker typisk at sidde, hvor lysfeltet er mest intenst.

Og der er et problem med ioner: De har alle en elektrisk ladning af samme fortegn. Det betyder, at qubits frastøder hinanden. At sætte mange af dem ind på det samme lille rum bliver sværere, jo flere ioner der er. Med neutrale atomer er der ingen sådan spænding. Dette, siger forskere, gør neutral-atom qubits meget mere skalerbare.

Hvad mere er, fangede ioner er arrangeret i en række (eller for nylig en sløjfe "væddeløbsbane”). Denne konfiguration gør det vanskeligt at vikle en ion-qubit sammen med en anden, f.eks. 20 steder langs rækken. "Ionfælder er i sagens natur endimensionelle," sagde Adams. "Du skal arrangere dem i en linje, og det er meget svært at se, hvordan du kommer op til tusind qubits på den måde."

Neutral-atomarrays kan være et todimensionelt gitter, som er meget nemmere at skalere op. "Du kan sætte meget i det samme system, og de interagerer ikke, når du ikke vil have dem til," sagde Saffman. Hans gruppe og andre har fanget over 1,000 neutrale atomer på denne måde. "Vi tror på, at vi kan pakke titusinder eller endda hundredtusinder i en enhed i centimeterskala," sagde han.

Faktisk skabte holdet hos Caltech i deres seneste arbejde en optisk pincet-array på omkring 6,100 neutrale cæsiumatomer, selvom de endnu ikke har udført nogen kvanteberegninger med dem. Disse qubits havde også kohærenstider på hele 12.6 sekunder, en rekord indtil videre for denne qubit-type.

Rydbergblokaden

For at to eller flere qubits skal blive viklet ind, skal de interagere med hinanden. Neutrale atomer "føler" hinandens tilstedeværelse via såkaldte van der Waals-kræfter, som opstår fra den måde, et atom reagerer på udsving i elektronskyen i et andet atom i nærheden. Men disse svage kræfter mærkes kun, når atomer er ekstremt tæt på hinanden. Manipulering af normale atomer til den nødvendige præcision ved hjælp af lysfelter kan simpelthen ikke lade sig gøre.

Som Lukin og hans kolleger påpegede i deres oprindelige forslag tilbage i 2000, kan interaktionsafstanden øges dramatisk, hvis vi øger størrelsen af ​​selve atomerne. Jo mere energi en elektron har, jo længere har den en tendens til at strejfe fra atomkernen. Hvis en laser bruges til at pumpe en elektron op til en energitilstand, der er langt større end dem, der normalt findes i atomer - kaldet en Rydberg-tilstand efter den svenske fysiker Johannes Rydberg, som i 1880'erne undersøgte, hvordan atomer udsender lys ved diskrete bølgelængder - elektronen kan strejfe tusindvis af gange længere ud fra kernen end normalt.

Dette løft i størrelse gør det muligt for to atomer, der holdes adskillige mikrometer fra hinanden - perfekt muligt i optiske fælder - at interagere.

For at implementere en kvantealgoritme koder forskerne først kvanteinformation i et par atomare energiniveauer ved at bruge lasere til at skifte elektroner mellem niveauerne. De sammenfiltrer derefter atomernes tilstande ved at tænde for Rydberg-interaktioner mellem dem. Et givet atom kan være exciteret til en Rydberg-tilstand eller ej, afhængigt af hvilket af de to energiniveauer dets elektron er i - kun en af ​​disse sidder på den rigtige energi til at resonere med excitationslaserens frekvens. Og hvis atomet i øjeblikket interagerer med et andet, skifter denne excitationsfrekvens en smule, så elektronen ikke vil resonere med lyset og ikke vil være i stand til at springe. Dette betyder, at kun det ene eller det andet af et par af interagerende atomer kan opretholde en Rydberg-tilstand på ethvert tidspunkt; deres kvantetilstande er korrelerede - eller med andre ord sammenfiltrede. Denne såkaldte Rydberg-blokade, først foreslog af Lukin og kolleger i 2001 som en måde at sammenfiltre Rydberg-atom-qubits, er en alt-eller-intet-effekt: Enten er der en Rydberg-blokade, eller også er der ikke. "Rydberg-blokaden gør interaktioner mellem atomer digitale," sagde Lukin.

Ved slutningen af ​​beregningen udlæser lasere atomernes tilstande: Hvis et atom er i den tilstand, der er resonant med belysningen, spredes lyset, men hvis det er i den anden tilstand, er der ingen spredning.

I 2004, et team ved University of Connecticut demonstreret en Rydberg-blokade mellem rubidium-atomer, fanget og afkølet til kun 100 mikrokelvin over det absolutte nulpunkt. De afkølede atomerne ved at bruge lasere til at "suge ud" atomernes termiske energi. Fremgangsmåden betyder, at i modsætning til superledende qubits kræver neutrale atomer ingen kryogen afkøling og ingen besværlige kølemidler. Disse systemer kan derfor gøres meget kompakte. "Apparatet som helhed er ved stuetemperatur," sagde Saffman. "En centimeter væk fra disse superkolde atomer har du et rumtemperaturvindue."

I 2010 Saffman og hans medarbejdere rapporteret den første logiske port - et grundlæggende element i computere, hvor et eller flere binære inputsignaler genererer et bestemt binært output - lavet af to atomer ved hjælp af Rydberg-blokaden. Så, altafgørende, i 2016 var Lukins team og forskningsgrupper i Frankrig og Sydkorea alle uafhængigt fandt ud af hvordan indlæse mange neutrale atomer ind i rækker af optiske fælder og flytte dem rundt efter behag. "Denne innovation bragte nyt liv til feltet," sagde Stephan Dürr fra Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland, som bruger Rydberg-atomer til eksperimenter i lysbaseret kvanteinformationsbehandling.

Meget af arbejdet hidtil bruger rubidium og cæsium atomer, men fysikeren Jeff Thompson ved Princeton University foretrækker at indkode informationen i de nukleare spin-tilstande af metalatomer som strontium og ytterbium, som har endnu længere kohærenstider. Sidste oktober, Thompson og kolleger rapporteret to-qubit logiske porte lavet af disse systemer.

Og Rydberg-blokader behøver ikke at være mellem enlige atomer. Sidste sommer Adams og hans kolleger viste at de kunne skabe en Rydberg-blokade mellem et atom og et fanget molekyle, som de lavede kunstigt ved at bruge en optisk pincet til at trække et cæsium-atom ved siden af ​​et rubidium-atom. Fordelen ved hybride atom-molekyle systemer er, at atomer og molekyler har meget forskellige energier, hvilket kunne gøre det lettere at manipulere en uden at påvirke andre. Desuden kan molekylære qubits have meget lange kohærenstider. Adams understreger, at sådanne hybridsystemer er mindst 10 år bagefter alle-atom-systemer, og sammenfiltring af to sådanne qubits er endnu ikke opnået. "Hybride systemer er virkelig svære," sagde Thompson, "men vi vil sandsynligvis blive tvunget til at gøre dem på et tidspunkt."

High-Fidelity Qubits

Ingen qubit er perfekt: Alle kan pådrage sig fejl. Og hvis disse forbliver uopdagede og ukorrigerede, forvrider de resultatet af beregningen.

Men en stor hindring for al kvanteberegning er, at fejl ikke kan identificeres og rettes på den måde, de er for klassiske computere, hvor en algoritme blot holder styr på, hvilke tilstande bitsene befinder sig i, ved at lave kopier. Nøglen til kvanteberegning er, at qubits' tilstande efterlades ubestemte, indtil det endelige resultat er udlæst. Hvis du forsøger at måle disse tilstande før det tidspunkt, afslutter du beregningen. Hvordan kan qubits så beskyttes mod fejl, som vi ikke engang kan overvåge?

Et svar er at sprede information over mange fysiske qubits - der udgør en enkelt "logisk qubit" - så en fejl i en af ​​dem ikke ødelægger den information, de tilsammen koder. Dette bliver kun praktisk, hvis antallet af fysiske qubits, der er nødvendige for hver logisk qubit, ikke er for stort. Denne overhead afhænger til dels af, hvilken fejlkorrigerende algoritme der bruges.

Fejlkorrigerede logiske qubits er blevet demonstreret med superledende og fanget-ion-qubits, men indtil for nylig har det ikke været klart, om de kan fremstilles af neutrale atomer. Det ændrede sig i december, da Harvard-holdet afslørede arrays af flere hundrede fangede rubidium-atomer og kørte algoritmer på 48 logiske qubits, hver lavet af syv eller otte fysiske atomer. Forskerne brugte systemet til at udføre en simpel logisk operation kaldet en kontrolleret NOT-port, hvor en qubits 1- og 0-tilstande vendes eller efterlades uændrede afhængigt af tilstanden af ​​en anden "kontrol"-qubit. For at udføre beregningerne flyttede forskerne atomerne mellem tre forskellige områder i fangstkammeret: en række atomer, en interaktionsregion (eller "portzone"), hvor specifikke atomer blev trukket og viklet ind ved hjælp af Rydberg-blokaden, og en udlæsningszone . Det hele er gjort muligt, sagde Adams, fordi "Rydberg-systemet giver dig al denne evne til at blande qubits rundt og bestemme, hvem der interagerer med hvem, hvilket giver dig en fleksibilitet, som superledende qubits ikke har."

Harvard-teamet demonstrerede fejlkorrektionsteknikker for nogle simple logiske qubit-algoritmer, selvom de for de største med 48 logiske qubits blot opnåede fejldetektion. Ifølge Thompson viste de sidstnævnte eksperimenter, at "de fortrinsvis kan afvise måleresultater med fejl og derfor identificere en undergruppe af resultater med lavere fejl." Denne tilgang kaldes post-selektion, og selvom den kan spille en rolle i kvantefejlkorrektion, løser den ikke i sig selv problemet.

Rydberg-atomer kan egne sig til nye fejlkorrigerende koder. Den, der blev brugt i Harvard-arbejdet, kaldet overfladekoden, "er meget populær, men også meget ineffektiv," sagde Saffman; det har en tendens til at kræve mange fysiske qubits for at lave en logisk qubit. Andre, mere effektive foreslåede fejlkorrigerende koder kræver interaktioner med længere rækkevidde mellem qubits, ikke kun nærmeste nabo-parringer. Udøvere af neutral-atom kvantecomputere mener, at Rydberg-interaktioner på lang rækkevidde burde være op til opgaven. "Jeg er ekstremt optimistisk, at eksperimenter i løbet af de næste to til tre år vil vise os, at overhead ikke behøver at være så slemt, som folk troede," sagde Lukin.

Selvom der stadig er mere at gøre, betragter Steane Harvard-arbejdet som "en trinvis ændring i den grad, i hvilken fejlkorrektionsprotokoller er blevet realiseret i laboratoriet."

Spinning Off

Fremskridt som disse har Rydberg-atom qubits tegner selv med deres konkurrenter. "Kombinationen af ​​high-fidelity-gates, det store antal qubits, målinger med høj nøjagtighed og fleksible tilslutningsmuligheder giver os mulighed for at betragte Rydberg-atom-arrayet som en reel konkurrent til de superledende og fangede-ion-qubits," sagde Steane.

Sammenlignet med superledende qubits kommer teknologien til en brøkdel af investeringsomkostningerne. Harvard-gruppen har et spinoff-selskab kaldet QuEra, som allerede har lavet en 256-qubit Rydberg kvanteprocessor kaldet Aquila - en analog "kvantesimulator", som kan køre simuleringer af systemer af mange kvantepartikler — tilgængelig på skyen i samarbejde med Amazons Braket kvantecomputerplatform. QuEra arbejder også på at fremme kvantefejlkorrektion.

Saffman sluttede sig til et firma kaldet Bøjning, som udvikler den neutral-atom optiske platform til kvantesensorer og kommunikation samt kvanteberegning. "Jeg ville ikke blive overrasket, hvis en af ​​de store it-virksomheder snart går ind i en form for partnerskab med en af ​​disse spinoffs," sagde Adams.

"At udføre skalerbar fejlkorrektion med neutral-atom qubits er absolut muligt," sagde Thompson. "Jeg tror, ​​at 10,000 neutral-atom qubits helt klart er mulige inden for et par år." Ud over det mener han, at praktiske begrænsninger af laserkraft og opløsning vil nødvendiggøre modulære designs hvor flere forskellige atomarrays er forbundet med hinanden.

Hvis det sker, hvem ved, hvad der kommer ud af det? "Vi ved ikke engang endnu, hvad vi kan gøre med kvanteberegning," sagde Lukin. "Jeg håber virkelig, at disse nye fremskridt vil hjælpe os med at besvare disse spørgsmål."