Neutraaliatomikvanttitietokoneilla on hetki – Physics World

Neutraaliatomikvanttitietokoneilla on hetki – Physics World

Aikaleima: 9. marraskuuta 2023 9

Kuva vihreässä ja sinisessä valossa kylpevästä optiikasta
Kaikki järjestelmät toimivat: laservalosäde Jeff Thompsonin laboratoriossa Princetonin yliopistossa, jossa hän ja hänen kollegansa osoittivat äskettäin uuden tavan poistaa virheet neutraaliatomikvanttitietokoneessa. (Kohtelias: Frank Wojciechowski)

Kilpailussa tulevaisuuden kvanttilaskenta-alustasta neutraalit atomit ovat olleet vähän alijäämäisiä. Vaikka neutraaleihin atomeihin perustuvilla kvanttibiteillä (qubit) on useita houkuttelevia ominaisuuksia, kuten helppous skaalata kubittilukuja ja suorittaa niille rinnakkaisia ​​toimintoja, suurin huomio on keskittynyt kilpaileviin alustoihin. Monet suurimmista koneista on rakennettu suprajohtavilla kubiteilla, mukaan lukien ne, jotka on kehitetty IBM, Google, Amazonja Microsoft. Muut yritykset ovat valinneet ionit, kuten Honeywell ja IonQtai fotoneja, kuten Xanadu.

Muutaman viime viikon aikana useat katseenvangitsijat ovat kuitenkin työntäneet neutraaleja atomeja pakkauksen etuosaan. Yksi niistä tuli Atom Computing -nimisestä start-upista, joka ilmoitti lokakuun lopussa että sillä on pian a 1000 qubitin neutraaliatomikone valmiina asiakkaille – ensimmäinen kaupallinen kvanttilaite, joka on ylittänyt tämän virstanpylvään. Muut tulivat kolmelta tutkijaryhmältä, jotka julkaisivat erilliset tutkimukset vuonna luonto kuvataan neutraaliatomialustoja, joissa on alhainen melu, uusia virheiden lievennyskapasiteettia ja vahva potentiaali skaalata jopa suurempiin kubittimääriin.

Kaikilla qubit-alustoilla suurimmat esteet vankalle kvanttitoiminnalle ovat kohina ja sen aiheuttamat virheet. "Virheenkorjaus on todellakin kvanttilaskennan rajoja", sanoo Jeff Thompson, fyysikko Princetonin yliopistosta Yhdysvalloissa, joka johti yksi kolmesta tutkimuksesta Sekä Shruti Puri Yalen yliopistosta, Yhdysvalloissa. "Se on asia, joka seisoo välillämme ja tekee hyödyllisiä laskelmia."

Virheenkorjaus on niin tärkeä syy, että se mahdollistaa laskelmat, vaikka taustalla oleva laitteisto olisi altis kohinalle. Klassisissa tietokoneissa käytetään yksinkertaista virheenkorjausstrategiaa, jota kutsutaan toistokoodiksi: tallenna samat tiedot useita kertoja, jotta jos yhdessä bitissä on virhe, jäljellä olevien bittien "enemmistöäänestys" osoittaa silti oikeaa arvoa. Kvanttivirheenkorjausalgoritmit ovat pohjimmiltaan monimutkaisempia versioita tästä, mutta ennen kuin alusta voi hyötyä niistä, niiden laitteiston on täytettävä joitain vähimmäistarkkuuden vaatimuksia. Perinteisissä kvanttialgoritmeissa nyrkkisääntönä on, että kvanttilaskennan vähimmäisyksikön – kvanttiportin – virhesuhteen tulee olla alle 1 %.

Melun vähentäminen

Tutkijat johdolla Mikhail lukin Harvardin yliopistossa Yhdysvalloissa nyt raportoida että heidän neutraaliatominsa kvanttitietokone on saavuttanut tämän kynnyksen ja saavuttanut 0.5 prosentin virhesuhteen. He saavuttivat tämän virstanpylvään ottamalla käyttöön kahden kubitin portit tiimien pioneerilla tavalla Saksa ja Ranska, ja heidän koneensa, jonka he ovat kehittäneet kollegoiden kanssa viereisessä Massachusetts Institute of Technologyssa (MIT), toimii seuraavasti.

Ensinnäkin rubidiumatomien höyry jäähdytetään juuri absoluuttisen nollan yläpuolelle. Sitten yksittäiset atomit vangitaan ja pidetään tiukasti kohdistetuilla lasersäteillä tekniikalla, joka tunnetaan nimellä optinen pinsetti. Jokainen atomi edustaa yhtä kubittia, ja sadat on järjestetty kaksiulotteiseen matriisiin. Näissä kubiteissa oleva kvanttiinformaatio – nolla tai yksi tai näiden kahden kvantisuperpositio – on tallennettu rubidiumatomien kahteen eri energiatasoon.

Kahden kubitin portin suorittamiseksi kaksi atomia tuodaan lähelle toisiaan ja valaistaan ​​niitä samanaikaisesti laserilla. Valaistus nostaa yhden atomin elektroneista korkealle energiatasolle, joka tunnetaan nimellä Rydberg-tila. Tässä tilassa atomit ovat helposti vuorovaikutuksessa lähinaapuriensa kanssa, mikä tekee portin toiminnan mahdolliseksi.

Operaation tarkkuuden parantamiseksi työryhmä käytti äskettäin kehitettyä optimoitua pulssisekvenssiä herättämään kaksi atomia Rydberg-tilaan ja saattamaan ne takaisin alas. Tämä pulssisekvenssi on nopeampi kuin aikaisemmat versiot, mikä antaa atomeille vähemmän mahdollisuuksia hajota väärään tilaan, mikä rikkoisi laskennan. Tämän yhdistäminen muihin teknisiin parannuksiin antoi tiimille mahdollisuuden saavuttaa 99.5 %:n tarkkuus kahden kubitin porteissa.

Vaikka muut alustat ovat saavuttaneet vastaavan tarkkuuden, neutraaliatomikvanttitietokoneet voivat tehdä enemmän laskelmia rinnakkain. Kokeessaan Lukin ja hänen tiiminsä sovelsivat kahden kubitin porttiaan 60 kubitille kerralla yksinkertaisesti valaisemalla ne samalla laserpulssilla. "Tämä tekee siitä hyvin, hyvin erikoisen", Lukin sanoo, "koska meillä voi olla korkea tarkkuus ja voimme tehdä sen rinnakkain vain yhdellä globaalilla ohjauksella. Mikään muu alusta ei voi tehdä sitä."

Poistovirheet

Taiteilijan piirros viidestä linjassa olevasta pallosta. Pallot edustavat atomeja; neljä atomeista on keltaisia, kun taas yksi hehkuu vaaleanpunaisena
Outd atom out: Löytämällä tavan tunnistaa "väärässä" tilassa olevat atomit ja poistaa ne järjestelmästä Princetonin, Yalen ja Caltechin tutkijat ovat osoittaneet, kuinka kvanttitoimintoja voidaan tehostaa neutraaliatomikoneissa. (Kohtelias: Caltech/Lance Hayashida)

Samalla kun Lukinin tiimi optimoi kokeilunsa vastaamaan virheenkorjausmenetelmien tarkkuuskynnystä, Thompson ja Puri yhdessä Ranskan Strasbourgin yliopiston kollegojensa kanssa löysivät tavan muuttaa tietyntyyppiset virheet poistoiksi poistamalla ne järjestelmästä kokonaan. . Tämä tekee näiden virheiden korjaamisesta paljon helpompaa, mikä alentaa kynnystä virheenkorjaussuunnitelmien toimimiselle.

Thompsonin ja Purin kokoonpano on samanlainen kuin Harvard-MIT-tiimin, jossa yksittäisiä ultrakylmiä atomeja pidetään optisissa pinseteissä. Suurin ero on, että he käyttivät ytterbiumatomeja rubidiumin sijasta. Ytterbiumilla on monimutkaisempi energiatasorakenne kuin rubidiumilla, mikä vaikeuttaa sen käyttöä, mutta tarjoaa myös enemmän vaihtoehtoja kvanttitilojen koodaamiseen. Tässä tapauksessa tutkijat koodasivat "nollan" ja "yhden" kubiteistaan ​​kahteen metastabiiliin tilaan perinteisen kahden alimman energiatason sijaan. Vaikka näillä metastabiileilla tiloilla on lyhyempi elinikä, monet mahdollisista virhemekanismeista pomppasivat atomit pois näistä tiloista perustilaan, jossa ne voidaan havaita.

Virheiden poistaminen on suuri siunaus. Perinteisesti, jos yli puolessa toistokoodin biteistä on virheitä, lähetetään väärää tietoa. "Mutta poistomallilla se on paljon tehokkaampi, koska nyt tiedän, missä bitteissä on ollut virhe, joten voin sulkea ne pois enemmistöäänestyksestä", Thompson selittää. "Tarvitsen siis vain yhden hyvän palan jäljellä olevan."

Tyhjennysmuunnostekniikkansa ansiosta Thompson ja kollegat pystyivät havaitsemaan noin kolmanneksen virheistä reaaliajassa. Vaikka heidän kahden kubitin portin tarkkuus 98 % on pienempi kuin Harvard-MIT-tiimin koneella, Thompson huomauttaa, että he käyttivät lähes 10 000 kertaa vähemmän lasertehoa portin ohjaamiseen, ja tehon lisääminen parantaa suorituskykyä samalla suurempi osa virheistä havaittavissa. Virheenpoistotekniikka laskee myös virheenkorjauksen kynnyksen alle 99 prosenttiin; skenaariossa, jossa lähes kaikki virheet muunnetaan poistoiksi, minkä Thompsonin mukaan pitäisi olla mahdollista, kynnys voi olla jopa 90 %.

Multipleksointivirheen poisto

Jonkin sisällä liittyvä tulosKalifornian teknologiainstituutin (Caltech) tutkijat muunsivat myös virheet poistoiksi. Heidän strontiumpohjainen neutraaliatomikoneensa on suppeampi kvanttitietokone, joka tunnetaan kvanttisimulaattorina: vaikka ne voivat virittää atomeja Rydbergin tilaan saakka ja luoda sotkeutuneita superpositioita maa- ja Rydberg-tilojen välille, heidän järjestelmällään on vain yksi perustila, mikä tarkoittaa, että he eivät voi tallentaa kvanttitietoa pitkällä aikavälillä.

He kuitenkin loivat nämä kietoutuvat superpositiot ennennäkemättömällä tarkkuudella: 99.9%. He tekivät myös valtavan superposition, joka koostui ei vain kahdesta atomista, vaan 26:sta, ja paransivat tämän tekemisen tarkkuutta poistamalla joitakin virheitä. "Pohjimmiltaan näytämme, että voit mielekkäästi tuoda tämän tekniikan monikehon valtakuntaan", sanoo Adam Shaw, tohtoriopiskelija vuonna Manuel Endresin ryhmä Caltechissa.

Yhdessä nämä kolme edistystä osoittavat neutraalien atomien kvanttitietokoneiden kyvyt, ja tutkijoiden mukaan heidän ideansa voidaan yhdistää koneeksi, joka toimii jopa paremmin kuin tähän mennessä osoitetut. "Se, että kaikki nämä teokset ilmestyivät yhdessä, on pieni merkki siitä, että jotain erityistä on tulossa", Lukin päättää.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma