Parhaat qubitit kvanttilaskentaan voivat olla vain atomeja | Quanta-lehti

Viime vuoden lopulla teknologiajätti IBM ilmoitti, mikä saattaa kuulostaa virstanpylvältä kvanttilaskentaan: kaikkien aikojen ensimmäinen siru, nimeltään Condor, jossa on yli 1,000 100 kvanttibittiä tai kubittia. Ottaen huomioon, että tämä oli tuskin kaksi vuotta sen jälkeen, kun yritys julkisti Eaglen, ensimmäisen yli XNUMX kubitin sirun, näytti siltä, ​​että kenttä kilpailee eteenpäin. Kvanttitietokoneiden valmistaminen, jotka voivat ratkaista hyödyllisiä ongelmia jopa nykypäivän mahtavimpien klassisten supertietokoneiden ulottumattomissa, vaatii niiden skaalausta entisestään - ehkä moniin kymmeniin tai satoihin tuhansiin kubiteihin. Mutta se on varmasti vain tekniikan kysymys, eikö?

Ei välttämättä. Skaalaamisen haasteet ovat niin suuria, että jotkut tutkijat uskovat, että se vaatii täysin erilaista laitteistoa kuin IBM:n ja Googlen käyttämä mikroelektroniikka. Condorin ja Googlen Sycamore-sirun kubitit on valmistettu suprajohtavasta materiaalista. Nämä suprajohtavat kubitit ovat toistaiseksi olleet jänis kilpailussa täysimittaiseen kvanttilaskentaan. Mutta nyt takaa tulee kilpikonna: yksittäisistä atomeista tehdyt kubitit.

Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat muuttaneet nämä "neutraaliatomien kubitit" ulkopuolisista johtaviksi kilpailijoiksi.

"Viimeisen kahden tai kolmen vuoden aikana on tapahtunut nopeampaa edistystä kuin millään aikaisemmalla ajanjaksolla", sanoi fyysikko Mark Saffman Wisconsinin yliopistosta Madisonista, joka laski ainakin viisi yritystä, jotka kilpailevat kaupallistaakseen neutraalien atomien kvanttilaskentaa.

Kuten tavallisten tietokoneiden bitit, kubitit koodaavat binääritietoa - 1:t ja 0:t. Mutta kun bitti on aina jossakin tilassa, kubitin informaatio voidaan jättää määrittelemättömäksi, niin sanottuun "superpositioon", joka antaa painon molemmille mahdollisuuksille. Laskennan suorittamiseksi kubitit linkitetään käyttämällä ilmiötä, jota kutsutaan kvanttisidoksiksi, mikä tekee niiden mahdollisista tiloista riippuvaisia ​​toisistaan. Tietty kvanttialgoritmi saattaa vaatia peräkkäisiä takertumia eri kubittijoukkojen välillä, ja vastaus luetaan laskennan lopussa, kun mittaus on suoritettu, jolloin kukin superpositio romahtaa tiettyyn 1:een tai 0:aan.

Ajatus neutraalien atomien kvanttitilojen käyttämisestä tiedon koodaamiseen oli tällä tavalla ehdotettu Harvardin fyysikko 2000-luvun alussa Mikhail lukin ja kollegat ja Myös johtaman ryhmän toimesta Ivan Deutsch New Mexicon yliopistosta. Laajempi tutkimusyhteisö oli pitkään yhtä mieltä siitä, että neutraaliatomien kvanttilaskenta oli periaatteessa loistava idea, Lukin sanoi, mutta käytännössä "se ei vain toimi".

"Mutta 20 vuotta myöhemmin muut lähestymistavat eivät ole sulkeneet sopimusta", Saffman sanoi. "Ja taidot ja tekniikat, joita tarvitaan neutraalien atomien toimimiseen, ovat kehittyneet vähitellen siihen pisteeseen, että ne näyttävät erittäin lupaavilta."

Lukinin laboratorio Harvardissa on ollut edelläkävijöiden joukossa. Joulukuussa hän ja hänen kollegansa raportoitu että he loivat ohjelmoitavia kvanttipiirejä, joissa oli satoja neutraaliatomikubitteja, ja olivat suorittaneet kvanttilaskenta- ja virheenkorjauksia niillä. Ja tässä kuussa Kalifornian teknologiainstituutin tiimi raportoitu että he tekivät 6,100 XNUMX atomikubitin joukon. Tällaiset tulokset houkuttelevat yhä enemmän tätä lähestymistapaa.

"Kymmenen vuotta sitten en olisi sisällyttänyt näitä [neutraaliatomien] menetelmiä, jos olisin suojannut panoksia kvanttilaskennan tulevaisuudesta", sanoi Andrew Steane, kvanttiinformaatioteoreetikko Oxfordin yliopistosta. "Se olisi ollut virhe."

Qubitsin taistelu

Avainkysymys qubit-tyyppien välisessä kilpailussa on, kuinka kauan kukin kubittityyppi voi säilyttää superpositionsa ennen kuin jokin satunnainen (esimerkiksi lämpö) vaihtelu muuttaa sitä. Suprajohtaville kubiteille, kuten IBM:n ja Googlen, tämä "koherenssiaika" on tyypillisesti parhaimmillaan millisekunnin tienoilla. Kaikkien kvanttilaskennan vaiheiden on tapahduttava tuossa aikakehyksessä.

Yksi etu informaation koodaamisesta yksittäisten atomien tiloihin on, että niiden koherenssiajat ovat tyypillisesti paljon pidemmät. Lisäksi, toisin kuin suprajohtavat piirit, tietyn tyyppiset atomit ovat kaikki identtisiä, joten räätälöityjä ohjausjärjestelmiä ei tarvita hienovaraisesti erilaisten kvanttitilojen syöttämiseen ja käsittelemiseen.

Ja vaikka johdotus, jota käytetään suprajohtavien kubittien yhdistämiseen kvanttipiireiksi, voi tulla hirvittävän monimutkaiseksi - varsinkin kun järjestelmä skaalautuu - atomien tapauksessa johdotusta ei tarvita. Kaikki sidonta tehdään laservalolla.

Tämä etu oli aluksi haaste. On olemassa hyvin kehittynyt tekniikka monimutkaisten mikroelektronisten piirien ja johtojen leikkaamiseen, ja yksi todennäköinen syy, miksi IBM ja Google investoivat alun perin suprajohtaviin kubitteihin, ei johdu siitä, että nämä olivat selvästi parhaita, vaan siksi, että ne vaativat sellaisia ​​piirejä, joihin yritykset ovat tottuneet. Stuart Adams, fyysikko Durhamin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa, joka työskentelee neutraalien atomien kvanttilaskentaan. ”Laserpohjainen atomioptiikka näytti heille täysin vieraalta. Kaikki suunnittelu on täysin erilaista."

Sähköisesti varautuneista atomeista valmistettuja kubitteja, joita kutsutaan ioneiksi, voidaan ohjata myös valolla, ja ioneja pidettiin pitkään parempana kubittiehdokkaina kuin neutraaleja atomeja. Varauksensa vuoksi ionit ovat suhteellisen helppoja vangita sähkökentissä. Tutkijat ovat luoneet ioniloukkuja suspendoimalla ionit pieneen tyhjiöonteloon erittäin alhaisiin lämpötiloihin (lämpöheilahtelun välttämiseksi), kun taas lasersäteet vaihtavat niitä eri energiatilojen välillä tietojen manipuloimiseksi. Ioniloukkukvanttitietokoneita, joissa on kymmeniä kubitteja, on nyt esitelty, ja useat startupit kehittävät teknologiaa kaupallistamista varten. "Toistaiseksi tarkkuuden, hallinnan ja koherenssin suhteen tehokkain järjestelmä on ollut loukussa ioneja", Saffman sanoi.

Neutraalien atomien vangitseminen on vaikeampaa, koska siinä ei ole varausta, josta pitää kiinni. Sen sijaan atomit on immobilisoitu lasersäteiden luomiin voimakkaan valon kenttiin, joita kutsutaan optisiksi pinseteiksi. Atomit tyypillisesti mieluummin istuvat siellä, missä valokenttä on voimakkain.

Ja ioneissa on ongelma: niillä kaikilla on samanmerkkinen sähkövaraus. Tämä tarkoittaa, että kubitit hylkivät toisiaan. Useiden niiden tukkiminen samaan pieneen tilaan muuttuu sitä vaikeammaksi, mitä enemmän ioneja on. Neutraaleilla atomeilla ei ole sellaista jännitystä. Tämä tutkijoiden mukaan tekee neutraalien atomien kubiteista paljon skaalautuvampia.

Lisäksi loukkuun jääneet ionit on järjestetty riviin (tai äskettäin silmukaan "ravirata”). Tämä konfiguraatio vaikeuttaa yhden ionikubitin sotkemista toiseen, joka on esimerkiksi 20 paikkaa rivissä. "Ioniloukut ovat luonnostaan ​​yksiulotteisia", Adams sanoi. "Sinun on järjestettävä ne riviin, ja on erittäin vaikea nähdä, kuinka saat tuhat kubittia tällä tavalla."

Neutraaliatomiryhmät voivat olla kaksiulotteisia verkkoja, joita on paljon helpompi skaalata. "Voit laittaa paljon samaan järjestelmään, eivätkä he ole vuorovaikutuksessa, kun et halua heidän olevan", Saffman sanoi. Hänen ryhmänsä ja muut ovat vangiksineet yli 1,000 neutraalia atomia tällä tavalla. "Uskomme, että voimme pakata kymmeniä tai jopa satoja tuhansia senttimetrin kokoiseen laitteeseen", hän sanoi.

Todellakin, viimeaikaisessa työssään Caltechin tiimi loi noin 6,100 12.6 neutraalista cesiumatomista koostuvan optisen pinsetin, vaikka he eivät ole vielä suorittaneet kvanttilaskentaa niillä. Näiden kubittien koherenssiajat olivat myös huikeat XNUMX sekuntia, mikä on tämän kubittityypin toistaiseksi ennätys.

Rydbergin saarto

Jotta kaksi tai useampi kubitti sotkeutuisi, niiden on oltava vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Neutraalit atomit ”tuntevat” toistensa läsnäolon niin sanottujen van der Waalsin voimien kautta, jotka syntyvät siitä, miten yksi atomi reagoi elektronipilven vaihteluihin toisessa lähellä olevassa atomissa. Mutta nämä heikot voimat tuntuvat vain, kun atomit ovat erittäin lähellä toisiaan. Normaalien atomien manipulointi vaaditulla tarkkuudella valokentillä ei yksinkertaisesti ole mahdollista.

Kuten Lukin ja hänen kollegansa huomauttivat alkuperäisessä ehdotuksessaan vuonna 2000, vuorovaikutusetäisyyttä voidaan lisätä dramaattisesti, jos lisäämme itse atomien kokoa. Mitä enemmän energiaa elektronilla on, sitä kauempana se pyrkii vaeltamaan atomin ytimestä. Jos laseria käytetään pumppaamaan elektroni energiatilaan, joka on paljon suurempi kuin atomeissa tavallisesti esiintyvä energiatila, jota kutsutaan Rydbergin tilaan ruotsalaisen fyysikon Johannes Rydbergin mukaan, joka 1880-luvulla tutki tapaa, jolla atomit säteilevät valoa erillisillä aallonpituuksilla, elektroni. voi vaeltaa tuhansia kertoja kauempana ytimestä kuin tavallisesti.

Tämä koon lisäys mahdollistaa kahden atomin, jotka ovat useiden mikrometrien päässä toisistaan ​​– mikä on täysin mahdollista optisissa ansoissa – vuorovaikutuksen.

Kvanttialgoritmin toteuttamiseksi tutkijat koodaavat ensin kvanttitietoa atomienergiatasojen pariin käyttämällä lasereita elektronien vaihtamiseen tasojen välillä. Sitten ne kietoutuvat atomien tiloihin kytkemällä päälle Rydbergin vuorovaikutus niiden välillä. Tietty atomi voi virittyä Rydberg-tilaan tai ei, riippuen siitä, kummalla kahdesta energiatasosta sen elektroni on - vain toinen näistä istuu oikealla energialla resonoidakseen virityslaserin taajuuden kanssa. Ja jos atomi on tällä hetkellä vuorovaikutuksessa toisen kanssa, tämä viritystaajuus siirtyy hieman, jotta elektroni ei resonoi valon kanssa eikä pysty hyppäämään. Tämä tarkoittaa, että vain toinen tai toinen vuorovaikutuksessa olevasta atomiparista voi ylläpitää Rydbergin tilaa milloin tahansa; niiden kvanttitilat ovat korreloituneita - tai toisin sanoen sotkeutuneita. Tämä niin kutsuttu Rydbergin saarto ensin ehdotettu Lukin ja kollegat vuonna 2001 keinona sotkea Rydberg-atomin kubitit, on kaikki tai ei mitään -efekti: joko Rydbergin saarto on tai ei ole. "Rydbergin saarto tekee atomien välisestä vuorovaikutuksesta digitaalista", Lukin sanoi.

Laskennan lopussa laserit lukevat atomien tilat: Jos atomi on tilassa, joka resonoi valaistuksen kanssa, valo on sironnut, mutta jos se on toisessa tilassa, ei sirontaa ole.

Vuonna 2004 ryhmä Connecticutin yliopistossa osoittivat Rydbergin esto rubidiumatomien välillä, joka on jäänyt loukkuun ja jäähtynyt vain 100 mikrokelviniin absoluuttisen nollan yläpuolelle. He jäähdyttivät atomeja käyttämällä lasereita atomien lämpöenergian "imemiseksi". Lähestymistapa tarkoittaa, että toisin kuin suprajohtavat kubitit, neutraalit atomit eivät vaadi kryogeenistä jäähdytystä eivätkä hankalia kylmäaineita. Tästä syystä näistä järjestelmistä voidaan tehdä erittäin kompakteja. "Laite kokonaisuudessaan on huoneenlämpötilassa", Saffman sanoi. "Yhden sentin päässä näistä superkylmistä atomeista sinulla on huoneenlämpöinen ikkuna."

Vuonna 2010 Saffman ja hänen työtoverinsa raportoitu ensimmäinen logiikkaportti - tietokoneiden peruselementti, jossa yksi tai useampi binääritulosignaali tuottaa tietyn binäärilähdön, joka on valmistettu kahdesta atomista Rydbergin estoa käyttäen. Sitten vuonna 2016, mikä tärkeintä, Lukinin tiimi ja tutkimusryhmät Ranskassa ja Etelä-Koreassa itsenäisesti selvitetty miten kuormittaa monia neutraaleja atomeja optisten ansojen joukkoihin ja siirrä niitä ympäriinsä. "Tämä innovaatio toi alalle uutta elämää", sanoi Stephan Dürr Max Planck Institute of Quantum Optics -instituutista Garchingissa, Saksassa, joka käyttää Rydberg-atomeja kokeisiin valopohjaisessa kvanttitietojen käsittelyssä.

Suuri osa työstä tähän mennessä käyttää rubidium- ja cesiumatomeja, mutta fyysikko Jeff Thompson Princetonin yliopistossa mieluummin koodataan tietoa metalliatomien, kuten strontiumin ja ytterbiumin, ydinspin tiloihin, joilla on vielä pidemmät koherenssiajat. Viime lokakuussa Thompson ja kollegat raportoitu näistä järjestelmistä tehdyt kahden qubitin logiikkaportit.

Ja Rydbergin saartojen ei tarvitse olla yksinäisten atomien välissä. Viime kesänä Adams ja hänen työtoverinsa osoittivat että he voisivat luoda Rydbergin eston atomin ja loukkuun jääneen molekyylin välille, jonka he tekivät keinotekoisesti käyttämällä optisia pinsetejä vetäen cesiumatomin rubidiumatomin viereen. Hybridiatomi-molekyylijärjestelmien etuna on, että atomeilla ja molekyyleillä on hyvin erilaisia ​​energioita, mikä voisi helpottaa yhden manipulointia vaikuttamatta muihin. Lisäksi molekyylikubiteilla voi olla hyvin pitkät koherenssiajat. Adams korostaa, että tällaiset hybridijärjestelmät ovat vähintään 10 vuotta jäljessä kaikki atomeista koostuvat järjestelmät, ja kahden tällaisen kubitin sotkeutuminen on vielä saavuttamatta. "Hybridijärjestelmät ovat todella kovia", Thompson sanoi, "mutta meidän on todennäköisesti pakko tehdä niitä jossain vaiheessa."

High-Fidelity Qubits

Mikään qubit ei ole täydellinen: kaikki voivat aiheuttaa virheitä. Ja jos nämä jäävät huomaamatta ja korjaamatta, ne sekoittavat laskennan tuloksen.

Mutta suuri este kaikelle kvanttilaskentalle on se, että virheitä ei voida tunnistaa ja korjata samalla tavalla kuin klassisissa tietokoneissa, joissa algoritmi yksinkertaisesti seuraa, missä tilassa bitit ovat kopioimalla. Kvanttilaskennan avain on, että kubittien tilat jätetään määrittelemättä, kunnes lopullinen tulos luetaan. Jos yrität mitata näitä tiloja ennen tätä pistettä, lopetat laskennan. Kuinka kubitit voidaan sitten suojata virheiltä, ​​joita emme voi edes valvoa?

Yksi vastaus on levittää tietoa monille fyysisille kubiteille - jotka muodostavat yhden "loogisen kubitin" - jotta yhdessä niistä oleva virhe ei turmele niiden kollektiivisesti koodaamaa tietoa. Tästä tulee käytännöllistä vain, jos kutakin loogista kubittia varten tarvittavien fyysisten kubittien määrä ei ole liian suuri. Tämä yleiskustannus riippuu osittain siitä, mitä virheenkorjausalgoritmia käytetään.

Virhekorjattuja loogisia kubitteja on osoitettu suprajohtavilla ja loukkuun jääneillä ioneilla, mutta viime aikoihin asti ei ole ollut selvää, voidaanko niitä valmistaa neutraaleista atomeista. Tilanne muuttui joulukuussa, kun Harvardin tiimi paljasti useiden satojen loukkuun jääneiden rubidiumatomien joukot ja suoritti algoritmeja 48 loogisella kubitilla, joista jokainen tehtiin seitsemästä tai kahdeksasta fyysisestä atomista. Tutkijat käyttivät järjestelmää suorittamaan yksinkertaisen loogisen toiminnon, jota kutsutaan ohjatuksi NOT-portiksi, jossa kubitin 1- ja 0-tilat käännetään tai jätetään ennalleen toisen "ohjaus"-kubitin tilasta riippuen. Laskelmien suorittamiseksi tutkijat siirsivät atomeja kolmen erillisen alueen välillä pyyntikammiossa: atomien ryhmä, vuorovaikutusalue (tai "porttialue"), jossa tiettyjä atomeja raahattiin ja sotkeutui Rydbergin estolla, ja lukuvyöhyke. . Adams sanoi, että tämä kaikki on mahdollista, koska "Rydberg-järjestelmä tarjoaa sinulle kaiken tämän mahdollisuuden sekoittaa kubitteja ja päättää, kuka on vuorovaikutuksessa kenen kanssa, mikä antaa sinulle joustavuutta, jota suprajohtavilla kubiteilla ei ole."

Harvardin tiimi esitteli virheenkorjaustekniikoita joillekin yksinkertaisille loogisen kubitin algoritmeille, vaikka suurimpien, 48 loogisen kubitin algoritmien kohdalla, ne vain onnistuivat havaitsemaan virheitä. Thompsonin mukaan nämä jälkimmäiset kokeet osoittivat, että "ne voivat ensisijaisesti hylätä mittaustulokset virheellisinä ja siten tunnistaa tulosten osajoukon, joissa virheitä on pienempi". Tätä lähestymistapaa kutsutaan jälkivalinnaksi, ja vaikka sillä voi olla rooli kvanttivirheen korjauksessa, se ei yksin ratkaise ongelmaa.

Rydberg-atomit saattavat sopia uusille virheenkorjauskoodeille. Harvardin työssä käytetty pintakoodi, "on erittäin suosittu, mutta myös erittäin tehoton", Saffman sanoi; se vaatii yleensä useita fyysisiä kubitteja yhden loogisen kubitin tekemiseen. Muut, tehokkaammat ehdotetut virheenkorjauskoodit edellyttävät pidemmän kantaman vuorovaikutusta kubittien välillä, eivät vain lähimpien naapuriparien muodostamista. Neutraaliatomien kvanttilaskennan harjoittajat ajattelevat, että pitkän kantaman Rydberg-vuorovaikutusten pitäisi olla tehtävänsä tasolla. "Olen äärimmäisen optimistinen sen suhteen, että seuraavien kahden tai kolmen vuoden aikana tehdyt kokeet osoittavat meille, että yleiskustannusten ei tarvitse olla niin pahat kuin ihmiset luulivat", Lukin sanoi.

Vaikka tehtävää on vielä enemmän, Steane pitää Harvardin työtä "askeleena muutoksena siinä, missä määrin virheenkorjausprotokollia on toteutettu laboratoriossa".

Pyörii pois

Tällaisilla edistyksillä on Rydberg-atomin kubitit jopa kilpailijoidensa kanssa. "High-fidelity-porttien, suuren kubittimäärän, korkean tarkkuuden mittausten ja joustavan liitettävyyden yhdistelmä antaa meille mahdollisuuden pitää Rydberg-atomiryhmää todellisena kilpailijana suprajohtaville ja loukkuun jääneille ioni-kubiteille", Steane sanoi.

Suprajohtaviin kubitteihin verrattuna teknologian hinta on murto-osa investointikustannuksista. Harvard-konsernilla on spinoff-yhtiö nimeltä Quera, joka on jo tehnyt 256 qubit Rydbergin kvanttiprosessorin nimeltä Aquila - analoginen "kvanttisimulaattori", joka voi suorittaa simulaatioita monien kvanttihiukkasten järjestelmät - saatavilla pilvessä yhteistyössä Amazonin Braketin kvanttilaskenta-alustan kanssa. QuEra pyrkii myös edistämään kvanttivirheen korjausta.

Saffman liittyi yritykseen nimeltä Taivutus, joka kehittää neutraaliatomin optista alustaa kvanttiantureita ja viestintää sekä kvanttilaskentaa varten. "En olisi yllättynyt, jos yksi suurista IT-yrityksistä ryhtyisi pian jonkinlaiseen kumppanuuteen näiden spinoffien kanssa", Adams sanoi.

"Skaalautuvan virheenkorjauksen tekeminen neutraaliatomien kubiiteilla on ehdottomasti mahdollista", Thompson sanoi. "Luulen, että 10,000 XNUMX neutraaliatomikubittia on selvästi mahdollista muutaman vuoden sisällä." Tämän lisäksi hän uskoo, että lasertehon ja resoluution käytännön rajoitukset edellyttävät modulaariset mallit jossa useita erillisiä atomiryhmiä on kytketty toisiinsa.

Jos näin tapahtuu, kuka tietää, mitä siitä seuraa? "Emme edes tiedä vielä, mitä voimme tehdä kvanttilaskennan kanssa", Lukin sanoi. "Toivon todella, että nämä uudet edistysaskeleet auttavat meitä vastaamaan näihin kysymyksiin."