Kvantarvutite parimad qubitid võivad olla lihtsalt aatomid | Ajakiri Quanta

Eelmise aasta lõpus teatas tehnoloogiahiiglane IBM, mis võib tunduda kvantarvutuse verstapostina: esimene kiip, nimega Condor, millel on üle 1,000 kvantbiti ehk kubiidi. Arvestades, et see oli vaevalt kaks aastat pärast seda, kui ettevõte avalikustas Eagle'i, esimese kiibi, millel oli rohkem kui 100 kubiti, näis, et väljak kihutab edasi. Kvantarvutite loomine, mis suudavad lahendada kasulikke probleeme väljaspool isegi kõige võimsamate tänapäevaste klassikaliste superarvutite ulatust, nõuab nende veelgi suuremat suurendamist - võib-olla mitmekümne või sadade tuhandete kubitideni. Aga see on kindlasti ainult inseneri küsimus, eks?

Mitte tingimata. Suurendamise väljakutsed on nii suured, et mõned teadlased arvavad, et see nõuab täiesti erinevat riistvara kui mikroelektroonika, mida kasutavad nagu IBM ja Google. Condori ja Google'i Sycamore'i kiibi kubiidid on valmistatud ülijuhtivast materjalist. Need ülijuhtivad kubitid on seni olnud jänesed võidujooksus täismahus kvantandmetöötluse poole. Nüüd aga tuleb selja tagant kilpkonn: üksikutest aatomitest tehtud kubiidid.

Hiljutised edusammud on muutnud need neutraalsete aatomitega kubiidid autsaideritest juhtivateks kandidaatideks.

"Viimase kahe või kolme aasta jooksul on toimunud kiirem edasiminek kui ühelgi varasemal sellisel perioodil," ütles füüsik Mark Saffman Wisconsini ülikoolist Madisonist, kes loendas vähemalt viis ettevõtet, kes võistlesid neutraalsete aatomite kvantarvutite turustamise nimel.

Nagu tavaliste arvutite bitid, kodeerivad kubitid binaarset teavet - 1-sid ja 0-sid. Kuid kui bitt on alati ühes või teises olekus, võib kubitis sisalduva teabe jätta määramatuks, nn superpositsiooniks, mis annab kaalu mõlemale võimalusele. Arvutuse teostamiseks seotakse kubitid kvantpõimumise nähtuse abil, mis muudab nende võimalikud olekud üksteisest sõltuvaks. Konkreetne kvantalgoritm võib nõuda erinevate kubitikomplektide vahelist põimumist ja vastus loetakse välja arvutamise lõpus, kui mõõtmine on tehtud, alandades iga superpositsiooni kindla 1 või 0-ni.

Idee kasutada neutraalsete aatomite kvantseisundeid sellisel viisil teabe kodeerimiseks pakutud 2000. aastate alguses Harvardi füüsiku poolt Mihhail lukin ja kolleegid ja Ka juhitud rühma poolt Ivan Deutsch New Mexico ülikoolist. Laiem teadlaskond oli pikka aega nõus, et neutraalsete aatomite kvantarvutus oli põhimõtteliselt suurepärane idee, ütles Lukin, kuid praktikas "see lihtsalt ei tööta".

"Kuid 20 aastat hiljem ei ole muud lähenemisviisid tehingut lõpetanud," ütles Saffman. "Ja neutraalsete aatomite töötamiseks vajalikud oskused ja tehnikad on järk-järgult arenenud nii kaugele, et need tunduvad väga paljutõotavad."

Lukini labor Harvardis on olnud üks juhtivaid inimesi. Detsembris tema ja ta kolleegid teatatud et nad lõid programmeeritavad kvantahelad sadade neutraalsete aatomite kubitidega ning olid nendega kvantarvutusi ja veaparandusi teinud. Ja sel kuul California Tehnoloogiainstituudi meeskond teatatud et nad tegid 6,100 aatomikubitist koosneva massiivi. Sellised tulemused võidavad üha enam selle lähenemisviisi järgijaid.

"Kümme aastat tagasi poleks ma neid [neutraalsete aatomite] meetodeid kaasanud, kui oleksin kvantandmetöötluse tulevikule panuseid maandanud," ütles ta. Andrew Steane, Oxfordi ülikooli kvantteabe teoreetik. "See oleks olnud viga."

Qubitsi lahing

Kubititüüpide vahelises võistluses on võtmeküsimuseks see, kui kaua igat tüüpi kubitid suudavad säilitada oma superpositsiooni, enne kui seda mõni juhuslik (näiteks termiline) kõikumine muudab. Ülijuhtivate kubitide puhul, nagu IBMi ja Google'i oma, on see sidususaeg parimal juhul tavaliselt umbes millisekund. Kõik kvantarvutuse etapid peavad toimuma selle aja jooksul.

Üksikute aatomite olekutes teabe kodeerimise eeliseks on see, et nende koherentsusajad on tavaliselt palju pikemad. Veelgi enam, erinevalt ülijuhtivatest vooluringidest on teatud tüüpi aatomid kõik identsed, nii et eritellimusel valmistatud juhtimissüsteeme pole vaja peenelt erinevate kvantolekute sisestamiseks ja manipuleerimiseks.

Ja kuigi juhtmestik, mida kasutatakse ülijuhtivate kubittide ühendamiseks kvantahelateks, võib muutuda kohutavalt keeruliseks – seda enam, et süsteem suureneb –, pole aatomite puhul juhtmeid vaja. Kogu segamine toimub laservalguse abil.

See kasu oli esialgu väljakutse. Keeruliste mikroelektrooniliste vooluringide ja juhtmete väljatöötamiseks on hästi arenenud tehnoloogia ning üks tõenäoline põhjus, miks IBM ja Google algselt ülijuhtivatesse kubittidesse investeerisid, ei ole see, et need olid ilmselgelt parimad, vaid see, et need nõudsid sellist vooluringi, millega sellised ettevõtted on harjunud, ütles ta. Stuart Adams, Ühendkuningriigi Durhami ülikooli füüsik, kes töötab neutraalsete aatomite kvantarvutustega. "Laseripõhine aatomioptika tundus neile täiesti võõras. Kogu tehnika on täiesti erinev.

Elektriliselt laetud aatomitest koosnevaid kubite, mida tuntakse ioonidena, saab juhtida ka valgusega ja ioone peeti pikka aega paremateks kubiidikandidaatideks kui neutraalsed aatomid. Oma laengu tõttu on ioone suhteliselt lihtne elektriväljadesse püüda. Teadlased on loonud ioonilõksud, suspendeerides ioonid ülimadalatel temperatuuridel pisikeses vaakumõõnes (termilise värisemise vältimiseks), samal ajal kui laserkiired vahetavad neid teabega manipuleerimiseks erinevate energiaolekute vahel. Nüüd on demonstreeritud kümnete kubitidega ioonlõksu kvantarvuteid ja mitmed idufirmad arendavad tehnoloogiat kommertsialiseerimiseks. "Siiani on truuduse, kontrolli ja sidususe osas kõrgeima jõudlusega süsteem olnud lõksus ioonid," ütles Saffman.

Neutraalsete aatomite püüdmine on raskem, kuna pole laengut, millest kinni hoida. Selle asemel immobiliseeritakse aatomid laserkiirte poolt tekitatud intensiivse valguse väljadesse, mida nimetatakse optilisteks pintsettideks. Aatomid eelistavad tavaliselt asuda kohas, kus valgusväli on kõige intensiivsem.

Ja ioonidega on probleem: neil kõigil on sama märgi elektrilaeng. See tähendab, et kubiidid tõrjuvad üksteist. Paljude nende samasse väikesesse ruumi kinnihoidmine muutub seda raskemaks, mida rohkem ioone on. Neutraalsete aatomite puhul sellist pinget pole. Teadlaste sõnul muudab see neutraalsete aatomitega kubitid palju skaleeritavamaks.

Veelgi enam, lõksus olevad ioonid on järjestatud järjestikku (või hiljuti ahelasse "võidusõidurada”). See konfiguratsioon raskendab ühe ioonkubiti põimumist teisega, mis on näiteks 20 kohta reas. "Ioonilõksud on oma olemuselt ühemõõtmelised, " ütles Adams. "Peate need ritta seadma ja on väga raske näha, kuidas saate sel viisil kuni tuhat kubitti."

Neutraalsete aatomite massiivid võivad olla kahemõõtmelised ruudustikud, mida on palju lihtsam suurendada. "Saate panna palju samasse süsteemi ja nad ei suhtle siis, kui te ei soovi, et nad seda teeksid," ütles Saffman. Tema rühm ja teised on sel viisil lõksu püüdnud üle 1,000 neutraalse aatomi. "Usume, et suudame sentimeetrisesse seadmesse pakkida kümneid või isegi sadu tuhandeid," ütles ta.

Tõepoolest, oma hiljutises töös lõi Caltechi meeskond umbes 6,100 neutraalse tseesiumiaatomiga optiliste pintsettide massiivi, kuigi nad pole nendega veel kvantarvutusi teinud. Nendel kubitidel oli ka koherentsusaeg ilmatu 12.6 sekundit, mis on selle kubititüübi senine rekord.

Rydbergi blokaad

Kahe või enama kubiti takerdumiseks peavad nad üksteisega suhtlema. Neutraalsed aatomid “tunnetavad” üksteise kohalolekut niinimetatud van der Waalsi jõudude kaudu, mis tulenevad sellest, kuidas üks aatom reageerib elektronpilve kõikumisele teises läheduses asuvas aatomis. Kuid need nõrgad jõud on tunda ainult siis, kui aatomid on üksteisele äärmiselt lähedal. Tavaliste aatomitega valgusväljade abil vajaliku täpsusega manipuleerimine lihtsalt ei ole võimalik.

Nagu Lukin ja tema kolleegid oma esialgses ettepanekus 2000. aastal märkisid, saab interaktsioonikaugust järsult suurendada, kui suurendame aatomite endi suurust. Mida rohkem energiat elektronil on, seda kaugemale kipub ta aatomituumast liikuma. Kui laserit kasutatakse elektroni pumpamiseks energiaolekusse, mis on palju suurem kui tavaliselt aatomites leiduv energia olekuks – mida nimetatakse Rydbergi olekuks rootsi füüsiku Johannes Rydbergi järgi, kes 1880. aastatel uuris, kuidas aatomid eraldavad valgust diskreetsetel lainepikkustel, siis elektron võib rännata tuhandeid kordi tuumast kaugemale kui tavaliselt.

See suuruse suurendamine võimaldab kahel üksteisest mitme mikromeetri kaugusel asuval aatomil suhelda – see on optilistes lõksudes täiesti teostatav.

Kvantalgoritmi rakendamiseks kodeerivad teadlased esmalt kvantteavet aatomienergia taseme paaris, kasutades elektronide vahetamiseks tasemete vahel lasereid. Seejärel põimuvad nad aatomite olekud, lülitades sisse nendevahelise Rydbergi interaktsiooni. Antud aatom võib ergastuda Rydbergi olekusse või mitte, olenevalt sellest, kummal kahest energiatasemest selle elektron on – ainult üks neist istub õigel energial, et resoneerida ergastava laseri sagedusega. Ja kui aatom suhtleb parasjagu teisega, siis see ergastussagedus nihkub veidi, nii et elektron ei resoneeri valgusega ega suuda hüpet sooritada. See tähendab, et ainult üks või teine ​​interakteeruvast aatomipaarist suudab igal hetkel säilitada Rydbergi oleku; nende kvantseisundid on korrelatsioonis – ehk teisisõnu põimunud. See nn Rydbergi blokaad, esiteks pakutud Lukini ja kolleegide poolt 2001. aastal Rydbergi aatomi kubitite segamise viisina on kõik või mitte midagi efekti: kas Rydbergi blokaad on või ei ole. "Rydbergi blokaad muudab aatomitevahelise interaktsiooni digitaalseks, " ütles Lukin.

Arvutamise lõpus loevad laserid välja aatomite olekuid: kui aatom on valgusega resonantses olekus, siis valgus hajub, aga kui see on teises olekus, siis hajumist ei toimu.

2004. aastal Connecticuti ülikooli meeskond Näidatud Rydbergi blokaad rubiidiumi aatomite vahel, mis on lõksus ja jahutatud vaid 100 mikrokelvinit üle absoluutse nulli. Nad jahutasid aatomeid laserite abil aatomite soojusenergia välja imemiseks. See lähenemisviis tähendab, et erinevalt ülijuhtivatest kubitidest ei vaja neutraalsed aatomid krüogeenset jahutamist ega tülikaid külmutusagenseid. Seetõttu saab neid süsteeme muuta väga kompaktseks. "Seade tervikuna on toatemperatuuril," ütles Saffman. "Nendest ülikülmadest aatomitest ühe sentimeetri kaugusel on teil toatemperatuuri aken."

Aastal 2010 Saffman ja tema töökaaslased teatatud esimene loogikavärav – arvutite põhielement, milles üks või mitu binaarset sisendsignaali genereerivad kindla kahendväljundi – mis on valmistatud kahest aatomist, kasutades Rydbergi blokaadi. Siis, 2016. aastal, otsustas Lukini meeskond ja uurimisrühmad Prantsusmaal ja Lõuna-Koreas kõik iseseisvalt välja nuputama kuidas laadida palju neutraalseid aatomeid optiliste lõksude massiividesse ja liigutage neid oma äranägemise järgi. "See uuendus tõi valdkonda uue elu," ütles Stephan Dürr Saksamaal Garchingis asuva Max Plancki kvantoptika instituudi esindaja, kes kasutab Rydbergi aatomeid valguspõhise kvantteabe töötlemise katseteks.

Suur osa senisest tööst kasutab rubiidiumi ja tseesiumi aatomeid, kuid füüsik Jeff Thompson Princetoni ülikoolis eelistab teabe kodeerimist metalliaatomite, nagu strontsium ja ütterbium, tuuma spinni olekutes, millel on veelgi pikem koherentsusaeg. Eelmise aasta oktoobris Thompson ja kolleegid teatatud nendest süsteemidest valmistatud kahe qubit loogikaväravad.

Ja Rydbergi blokaadid ei pea olema üksikute aatomite vahel. Eelmisel suvel Adams ja tema töökaaslased näitas et nad võiksid luua Rydbergi blokaadi aatomi ja kinni jäänud molekuli vahel, mille nad tegid kunstlikult, kasutades optilisi pintsette, et tõmmata rubiidiumi aatomi kõrvale tseesiumiaatom. Hübriidsete aatom-molekulide süsteemide eeliseks on see, et aatomitel ja molekulidel on väga erinev energia, mis võib hõlbustada ühega manipuleerimist teisi mõjutamata. Veelgi enam, molekulaarsetel kubitidel võib olla väga pikk koherentsusaeg. Adams rõhutab, et sellised hübriidsüsteemid on kõigist aatomitest koosnevatest süsteemidest vähemalt 10 aastat maas ja kahe sellise kubiidi põimumine on veel saavutamata. "Hübriidsüsteemid on tõesti rasked," ütles Thompson, "kuid tõenäoliselt oleme sunnitud neid mingil hetkel tegema."

High-Fidelity Qubits

Ükski qubit pole täiuslik: kõik võivad põhjustada vigu. Ja kui need jäävad avastamata ja parandamata, segavad nad arvutustulemust.

Kuid kogu kvantarvutuse suureks takistuseks on see, et vigu ei saa tuvastada ja parandada nii nagu klassikaliste arvutite puhul, kus algoritm lihtsalt jälgib koopiaid tehes, mis olekutes bitid on. Kvantarvutuse võti seisneb selles, et kubitide olekud jäetakse kuni lõpptulemuse ettelugemiseni määramata. Kui proovite mõõta neid olekuid enne seda punkti, lõpetate arvutuse. Kuidas siis saab kubitte kaitsta vigade eest, mida me isegi jälgida ei saa?

Üks lahendus on levitada teavet paljude füüsiliste kubiidide vahel, mis moodustavad ühe "loogilise kubiidi", nii et viga ühes neist ei rikuks teavet, mida nad ühiselt kodeerivad. See muutub praktiliseks ainult siis, kui iga loogilise kubiti jaoks vajalike füüsiliste kubittide arv ei ole liiga suur. See üldkulu sõltub osaliselt sellest, millist veaparandusalgoritmi kasutatakse.

Vigaparandatud loogilisi kubitte on demonstreeritud ülijuhtivate ja lõksu jäänud ioonide kubitidega, kuid kuni viimase ajani pole olnud selge, kas neid saab teha neutraalsetest aatomitest. See muutus detsembris, kui Harvardi meeskond avalikustas mitmesajast kinni jäänud rubiidiumiaatomist koosnevad massiivid ja käivitas algoritme 48 loogilise kubiidi alusel, millest igaüks oli valmistatud seitsmest või kaheksast füüsilisest aatomist. Teadlased kasutasid süsteemi lihtsa loogilise operatsiooni läbiviimiseks, mida nimetatakse kontrollitud NOT-väravaks, mille käigus kubiidi olekuid 1 ja 0 pööratakse või jäetakse muutmata, olenevalt teise "kontroll" qubiti olekust. Arvutuste läbiviimiseks liigutasid teadlased aatomeid püüdmiskambris kolme erineva piirkonna vahel: aatomite massiiv, interaktsioonipiirkond (või "väravatsoon"), kus konkreetseid aatomeid Rydbergi blokaadi kasutades lohistati ja mässiti, ja lugemistsoon. . Adams ütles, et see on kõik võimalik, kuna "Rydbergi süsteem pakub teile kogu seda võimalust kubite segada ja otsustada, kes kellega suhtleb, mis annab teile paindlikkuse, mida ülijuhtivatel kubitidel pole."

Harvardi meeskond demonstreeris mõne lihtsa loogilise kubiti algoritmi veaparandustehnikaid, kuigi suurimate, 48 loogilise kubitiga algoritmide puhul saavutasid nad lihtsalt veatuvastuse. Thompsoni sõnul näitasid need viimased katsed, et "nad saavad eelistatavalt vigadega mõõtmistulemusi tagasi lükata ja seetõttu tuvastada väiksemate vigadega tulemuste alamhulga." Seda lähenemisviisi nimetatakse järelvalikuks ja kuigi see võib mängida rolli kvantvigade parandamisel, ei lahenda see probleemi iseenesest.

Rydbergi aatomid võivad anda endale uudsed veaparanduskoodid. Harvardi töös kasutatud, pinnakoodiks kutsutud kood, "on väga populaarne, kuid ka väga ebaefektiivne," ütles Saffman; ühe loogilise kubiidi tegemiseks on tavaliselt vaja palju füüsilisi kubite. Teised tõhusamad väljapakutud veaparanduskoodid nõuavad pikemaajalisi interaktsioone kubitide vahel, mitte ainult lähima naabri sidumist. Neutraalse aatomiga kvantarvutite praktikud arvavad, et Rydbergi pikamaa interaktsioonid peaksid olema oma ülesannete kõrgusel. "Olen äärmiselt optimistlik, et järgmise kahe-kolme aasta katsed näitavad meile, et üldkulud ei pea olema nii halvad, kui inimesed arvasid," ütles Lukin.

Ehkki teha on veel palju, peab Steane Harvardi tööd "sammuliseks muutuseks selles, mil määral on laboris veaparandusprotokolle realiseeritud."

Keeramine maha

Sellistel edusammudel on Rydbergi aatomi kubitid joonistatud isegi konkurentidega. "Kõrge täpsusega väravate, suure arvu kubitite, suure täpsusega mõõtmiste ja paindliku ühenduvuse kombinatsioon võimaldab meil pidada Rydbergi aatomi massiivi ülijuhtivate ja kinnijäänud ioonide kubittide tõeliseks konkurendiks, " ütles Steane.

Võrreldes ülijuhtivate kubittidega maksab tehnoloogia murdosa investeerimiskuludest. Harvardi kontsernil on spinoff-ettevõte nimega QUERA, mis on juba teinud 256-kubitise Rydbergi kvantprotsessori nimega Kotkas - analoog "kvantsimulaator", mis võib käivitada simulatsioone paljude kvantosakeste süsteemid - saadaval pilves koostöös Amazoni kvantarvutusplatvormiga Braket. QuEra töötab ka kvantvigade parandamise edendamise nimel.

Saffman liitus ettevõttega nimega Kääne, mis töötab välja neutraalsete aatomitega optilist platvormi kvantandurite ja side ning kvantarvutuste jaoks. "Ma ei oleks üllatunud, kui üks suurtest IT-ettevõtetest astub peagi mõne sellise spinoffiga partnerlusse," ütles Adams.

"Skaleeritava veaparanduse tegemine neutraalsete aatomite kubitidega on kindlasti võimalik," ütles Thompson. "Ma arvan, et 10,000 XNUMX neutraalse aatomiga kubitti on mõne aasta jooksul selgelt võimalik." Peale selle arvab ta, et laservõimsuse ja eraldusvõime praktilised piirangud nõuavad modulaarsed kujundused milles on omavahel ühendatud mitu erinevat aatomimassiivi.

Kui see juhtub, kes teab, mis sellest saab? "Me isegi ei tea veel, mida saame kvantarvutusega teha, " ütles Lukin. "Ma tõesti loodan, et need uued edusammud aitavad meil neile küsimustele vastata."