A kvantumszámítógép legjobb qubitjei csak atomok lehetnek | Quanta Magazin

A múlt év végén az IBM technológiai óriás bejelentette, hogy mérföldkőnek tűnhet a kvantumszámítástechnikában: az első Condor nevű chipet, amely több mint 1,000 kvantumbittel vagy qubittel rendelkezik. Tekintettel arra, hogy ez alig két évvel azután, hogy a cég bemutatta az Eagle-t, az első több mint 100 qubites chipet, úgy tűnt, mintha a mezőny száguldott volna előre. Ahhoz, hogy olyan kvantumszámítógépeket készítsünk, amelyek a mai klasszikus szuperszámítógépek leghatalmasabb hatókörén túlmutató hasznos problémákat is képesek megoldani, még nagyobb méretezést igényelnek – talán sok tíz vagy százezer qubitre. De ez biztosan csak mérnöki kérdés, nem?

Nem feltétlenül. A méretnövelés kihívásai olyan nagyok, hogy egyes kutatók úgy gondolják, hogy teljesen más hardverre lesz szükség, mint az IBM és a Google által használt mikroelektronikától. A Condor és a Google Sycamore chip qubitjei szupravezető anyag hurkokból készülnek. Ezek a szupravezető qubitek eddig a nyulak voltak a teljes körű kvantumszámítástechnika felé vezető versenyben. De most hátulról jön egy teknősbéka: egyes atomokból készült kubitok.

A közelmúlt fejlesztései ezeket a „semleges atom-kubiteket” kívülállókból vezető versenyzőkké változtatták.

"Az elmúlt két-három évben minden korábbi ilyen időszaknál gyorsabb fejlődés tapasztalható" - mondta Mark Saffman, a Madison állambeli Wisconsini Egyetem fizikusa, aki szerint legalább öt vállalat versenyzett a semleges atom kvantumszámítástechnikájának kereskedelmi forgalomba hozataláért.

A közönséges számítógépek bitjéhez hasonlóan a qubitek is bináris információkat kódolnak – 1-eseket és 0-kat. De míg egy bit mindig egyik vagy másik állapotban van, a qubitben lévő információ határozatlan maradhat, egy úgynevezett „szuperpozícióban”, amely mindkét lehetőségnek súlyt ad. A számítás elvégzéséhez a qubiteket a kvantumösszefonódásnak nevezett jelenség segítségével kapcsolják össze, ami a lehetséges állapotaikat kölcsönösen függővé teszi. Egy adott kvantumalgoritmus megkövetelheti a különböző qubit-halmazok egymás utáni összefonódását, és a válasz a számítás végén kiolvasásra kerül, amikor mérést végeznek, és minden szuperpozíciót határozott 1-re vagy 0-ra összecsuknak.

Az volt az ötlet, hogy a semleges atomok kvantumállapotait használjuk fel információ kódolására javasolt a 2000-es évek elején a Harvard fizikusa Mihail Lukin és a kollégák, és Is által vezetett csoport Deutsch Iván az Új-Mexikói Egyetemen. A szélesebb kutatói közösség sokáig egyetértett abban, hogy a semleges atom kvantumszámítása elvileg nagyszerű ötlet, mondta Lukin, de a gyakorlatban „egyszerűen nem működik”.

"De 20 évvel később a többi megközelítés nem zárta le az üzletet" - mondta Saffman. "És a semleges atomok működéséhez szükséges készségkészlet és technikák fokozatosan fejlődtek olyan szintre, hogy nagyon ígéretesnek tűnnek."

Lukin harvardi laboratóriuma az élen járt. Decemberben ő és kollégái jelentett hogy programozható kvantumáramköröket hoztak létre több száz semleges atom kvbittel, és kvantumszámításokat és hibajavítást végeztek velük. Ebben a hónapban pedig a California Institute of Technology csapata jelentett hogy 6,100 atomkubitből álló tömböt készítettek. Az ilyen eredmények egyre inkább megnyerik ezt a megközelítést.

„Tíz évvel ezelőtt nem vettem volna be ezeket a [semleges atom-] módszereket, ha a kvantumszámítástechnika jövőjére tettem volna tétet” – mondta. Andrew Steane, az Oxfordi Egyetem kvantuminformációs teoretikusa. – Ez hiba lett volna.

Qubits-i csata

A qubit típusok közötti versengés kulcskérdése az, hogy az egyes qubitfajták mennyi ideig tudják megőrizni szuperpozíciójukat, mielőtt valamilyen véletlenszerű (például termikus) fluktuáció megváltoztatná. Az IBM-hez és a Google-hoz hasonló szupravezető qubitek esetében ez a „koherenciaidő” a legjobb esetben is körülbelül egy ezredmásodperc. A kvantumszámítás minden lépésének ezen az időkereten belül kell megtörténnie.

Az információnak az egyes atomok állapotaiban való kódolásának egyik előnye, hogy a koherencia idejük jellemzően sokkal hosszabb. Ezenkívül a szupravezető áramkörökkel ellentétben az adott típusú atomok mindegyike azonos, így nincs szükség egyedi vezérlőrendszerekre a finoman eltérő kvantumállapotok beviteléhez és manipulálásához.

És míg a szupravezető qubitek kvantumáramkörökké történő összekapcsolására használt vezetékek borzalmasan bonyolulttá válhatnak – még inkább, ahogy a rendszer skálázódik –, atomok esetében nincs szükség vezetékekre. Minden összefonódás lézerfénnyel történik.

Ez az előny kezdetben kihívást jelentett. Van egy jól kidolgozott technológia a bonyolult mikroelektronikai áramkörök és vezetékek kivágására, és az egyik valószínű oka annak, hogy az IBM és a Google kezdetben a szupravezető kvbitekbe fektetett be, nem azért, mert nyilvánvalóan ezek voltak a legjobbak, hanem azért, mert olyan áramkörre volt szükség, amelyet az ilyen cégek szoktak. Stuart Adams, az Egyesült Királyságbeli Durham Egyetem fizikusa, aki semleges atomok kvantumszámításával foglalkozik. „A lézeralapú atomoptika teljesen ismeretlen volt számukra. Az összes mérnöki munka teljesen más."

Az elektromosan töltött atomokból – ionoknak nevezett – kubitokat fénnyel is lehet szabályozni, és az ionokat sokáig jobb qubit jelölteknek tekintették, mint a semleges atomokat. Töltésük miatt az ionok viszonylag könnyen befoghatók elektromos mezőkbe. A kutatók úgy hoztak létre ioncsapdákat, hogy az ionokat egy apró vákuumüregben ultraalacsony hőmérsékleten felfüggesztették (hogy elkerüljék a hőingadozást), miközben a lézersugarak váltogatják őket a különböző energiaállapotok között, hogy manipulálják az információt. A több tucat qubittel rendelkező ioncsapda kvantumszámítógépeket mára bemutatták, és számos startup fejleszti a technológiát a kereskedelmi forgalomba hozatalhoz. „Eddig a hűség, a vezérlés és a koherencia tekintetében a legjobb teljesítményt nyújtó rendszer az ionok csapdájában volt” – mondta Saffman.

A semleges atomok csapdába ejtése nehezebb, mert nincs töltés. Ehelyett az atomok immobilizálódnak a lézersugarak által létrehozott intenzív fénymezőkben, amelyeket optikai csipeszeknek neveznek. Az atomok általában inkább ott helyezkednek el, ahol a legintenzívebb a fénymező.

És van egy probléma az ionokkal: mindegyiknek azonos előjelű elektromos töltése van. Ez azt jelenti, hogy a qubitek taszítják egymást. Sokat beszorítani ugyanabba a kis helyre, minél több ion van benne, annál nehezebb lesz. Semleges atomoknál nincs ilyen feszültség. Ez a kutatók szerint sokkal jobban skálázhatóvá teszi a semleges atom kvbiteket.

Sőt, a csapdába esett ionok sorba rendeződnek (vagy mostanában egy hurokversenypálya”). Ez a konfiguráció megnehezíti az egyik ion qubit összefonódását egy másikkal, amely mondjuk 20 helyen van a sor mentén. „Az ioncsapdák eredendően egydimenziósak” – mondta Adams. „Egy sorba kell őket rendezni, és nagyon nehéz belátni, hogyan érsz el így ezer qubitet.”

A semleges atomtömbök lehetnek kétdimenziós rácsok, amelyek sokkal könnyebben méretezhetők. "Sok mindent belehelyezhet ugyanabba a rendszerbe, és nem lépnek kapcsolatba, amikor nem akarod" - mondta Saffman. Csoportja és mások több mint 1,000 semleges atomot ejtettek csapdába így. „Úgy gondoljuk, hogy egy centiméteres méretű készülékbe tíz- vagy akár százezreket is be tudunk pakolni” – mondta.

Valójában a Caltech csapata a közelmúltban végzett munkájuk során mintegy 6,100 semleges céziumatomból álló optikai csipesz-tömböt hozott létre, bár még nem végeztek vele kvantumszámítást. Ezeknek a qubiteknek a koherenciaideje is bő 12.6 másodperc volt, ami az eddigi rekord ennél a qubit típusnál.

A Rydberg-blokád

Ahhoz, hogy két vagy több qubit összegabalyodjon, kölcsönhatásba kell lépniük egymással. A semleges atomok „érzik” egymás jelenlétét az úgynevezett van der Waals-erők révén, amelyek abból adódnak, ahogyan az egyik atom reagál a közeli másik atom elektronfelhőjének ingadozásaira. De ezek a gyenge erők csak akkor érezhetők, ha az atomok rendkívül közel vannak egymáshoz. A normál atomok kívánt pontosságú manipulálása fénymezőkkel egyszerűen nem lehetséges.

Amint arra Lukin és munkatársai 2000-ben eredeti javaslatukban rámutattak, a kölcsönhatási távolság drámaian megnövelhető, ha megnöveljük maguknak az atomoknak a méretét. Minél több energiája van egy elektronnak, annál távolabb vándorol az atommagtól. Ha lézert használnak arra, hogy egy elektront olyan energiaállapotba pumpálnak, amely sokkal nagyobb, mint az atomokban általában előforduló állapot – Rydberg-állapotnak nevezik Johannes Rydberg svéd fizikus után, aki az 1880-as években azt tanulmányozta, hogy az atomok hogyan bocsátanak ki fényt diszkrét hullámhosszon, akkor az elektron a szokásosnál több ezerszer távolabb tud kószálni a magtól.

Ez a méretnövelés lehetővé teszi, hogy két, egymástól több mikrométer távolságra lévő atom kölcsönhatásba léphessen – ez optikai csapdákban tökéletesen megvalósítható.

A kvantumalgoritmus megvalósításához a kutatók először kvantuminformációkat kódolnak egy atomi energiaszint-párba, és lézerek segítségével váltják az elektronokat a szintek között. Ezután összefonják az atomok állapotát azáltal, hogy bekapcsolják közöttük a Rydberg-kölcsönhatásokat. Egy adott atom gerjeszthető Rydberg állapotba vagy sem, attól függően, hogy az elektronja a két energiaszint közül melyikben van – ezek közül csak az egyik ül a megfelelő energián ahhoz, hogy a gerjesztőlézer frekvenciájára rezonáljon. És ha az atom éppen kölcsönhatásba lép egy másikkal, akkor ez a gerjesztési frekvencia kissé eltolódik, így az elektron nem fog rezonálni a fénnyel, és nem tud ugrani. Ez azt jelenti, hogy a kölcsönható atompárok közül csak az egyik vagy a másik képes fenntartani egy Rydberg-állapotot bármely pillanatban; kvantumállapotaik korrelálnak – vagy más szóval összefonódnak. Először ez az úgynevezett Rydberg-blokád javasolt Lukin és munkatársai 2001-ben a Rydberg-atom kvbitjeinek összefonódásának módjaként egy mindent vagy semmit hatás: vagy van Rydberg-blokád, vagy nincs. "A Rydberg-blokád digitálissá teszi az atomok közötti kölcsönhatásokat" - mondta Lukin.

A számítás végén a lézerek kiolvassák az atomok állapotát: Ha egy atom a megvilágítással rezonáló állapotban van, akkor a fény szétszóródik, de ha a másik állapotban van, akkor szóródás nincs.

2004-ben a Connecticuti Egyetem csapata igazolták egy Rydberg-blokád a rubídium atomok között, csapdába esett és mindössze 100 mikrokelvinnel az abszolút nulla fölé hűtve. Lézerekkel hűtötték az atomokat, hogy „kiszívják” az atomok hőenergiáját. A megközelítés azt jelenti, hogy a szupravezető kvitekkel ellentétben a semleges atomoknak nincs szükségük kriogén hűtésre és nehézkes hűtőközegekre. Ezek a rendszerek ezért nagyon kompaktra tehetők. "A készülék egésze szobahőmérsékletű" - mondta Saffman. "Egy centiméternyire ezektől a szuperhideg atomoktól van egy szobahőmérsékletű ablak."

2010-ben Saffman és munkatársai jelentett az első logikai kapu – a számítógépek alapvető eleme, amelyben egy vagy több bináris bemeneti jel egy adott bináris kimenetet generál – amely két atomból készül a Rydberg blokád segítségével. 2016-ban pedig a legfontosabb, hogy Lukin franciaországi és dél-koreai kutatócsoportja függetlenül kitalált hogyan kell sok semleges atomot tölt be optikai csapdák tömbjeibe, és tetszés szerint mozgassa őket. „Ez az innováció új életet hozott a területen” – mondta Stephan Dürr a németországi Garchingban található Max Planck Kvantumoptikai Intézet munkatársa, aki Rydberg atomokat használ fényalapú kvantuminformáció-feldolgozási kísérletekhez.

Az eddigi munkák nagy része rubídium és cézium atomokat használ, de a fizikus Jeff Thompson A Princeton Egyetemen a fématomok, például a stroncium és az itterbium nukleáris spinállapotaiban található információk kódolását részesíti előnyben, amelyeknek még hosszabb a koherencia ideje. Tavaly októberben Thompson és munkatársai jelentett ezekből a rendszerekből készült két qubit logikai kapuk.

És a Rydberg-blokádoknak nem kell magányos atomok között lennie. Tavaly nyáron Adams és munkatársai kimutatta, hogy Rydberg-blokádot tudtak létrehozni egy atom és egy csapdába esett molekula között, amit mesterségesen hoztak létre úgy, hogy optikai csipeszekkel céziumatomot húztak a rubídium atom mellé. A hibrid atom-molekula rendszerek előnye, hogy az atomok és molekulák nagyon eltérő energiájúak, ami megkönnyíti a manipulálást anélkül, hogy másokra hatással lenne. Sőt, a molekuláris qubitek nagyon hosszú koherenciaidővel rendelkezhetnek. Adams hangsúlyozza, hogy az ilyen hibrid rendszerek legalább 10 évvel le vannak maradva az összes atomból álló rendszerek mögött, és két ilyen qubit összefonódása még várat magára. „A hibrid rendszerek nagyon kemények – mondta Thompson –, de valószínűleg kénytelenek leszünk megtenni őket valamikor.

High-Fidelity Qubits

Egyetlen qubit sem tökéletes: Mindegyikben előfordulhatnak hibák. És ha ezeket nem észlelik és nem javítják ki, akkor összekeverik a számítás eredményét.

De minden kvantumszámítógép nagy akadálya, hogy a hibákat nem lehet úgy azonosítani és kijavítani, mint a klasszikus számítógépeknél, ahol egy algoritmus egyszerűen nyomon követi, hogy a bitek milyen állapotban vannak azáltal, hogy másolatokat készít. A kvantumszámítás kulcsa az, hogy a qubitek állapotát meghatározatlanul hagyjuk, amíg ki nem olvassuk a végeredményt. Ha megpróbálja megmérni ezeket az állapotokat ez előtt a pont előtt, akkor leállítja a számítást. Hogyan lehet tehát megvédeni a qubiteket azoktól a hibáktól, amelyeket nem is tudunk figyelni?

Az egyik válasz az, hogy az információkat sok fizikai qubiten terítsék szét – amelyek egyetlen „logikai qubit”-et alkotnak –, hogy az egyikben lévő hiba ne rontsa meg az általuk együttesen kódolt információt. Ez csak akkor válik praktikussá, ha az egyes logikai qubitekhez szükséges fizikai qubitek száma nem túl nagy. Ez az általános költség részben attól függ, hogy milyen hibajavító algoritmust használunk.

A hibajavított logikai qubiteket szupravezető és csapdába esett ionokkal is kimutatták, de egészen a közelmúltig nem volt világos, hogy semleges atomokból előállíthatók-e. Ez decemberben megváltozott, amikor a Harvard csapata több száz csapdába esett rubídium atomból álló tömböket mutatott be, és algoritmusokat futtatott 48 logikai qubiten, amelyek mindegyike hét vagy nyolc fizikai atomból készült. A kutatók a rendszer segítségével egyszerű logikai műveletet hajtottak végre, amelyet irányított NEM-kapunak neveznek, amelyben a qubit 1 és 0 állapotait átfordítják vagy változatlanul hagyják a második „vezérlő” qubit állapotától függően. A számítások elvégzéséhez a kutatók az atomokat a csapdázókamra három különböző régiója között mozgatták: egy atomsor, egy interakciós régió (vagy „kapuzóna”), ahol bizonyos atomokat vonszoltak és összegabalyítottak a Rydberg blokád segítségével, valamint egy leolvasási zóna között. . Adams szerint mindez azért lehetséges, mert „a Rydberg-rendszer lehetőséget kínál a qubitek megkeverésére és annak eldöntésére, hogy ki kivel lép kapcsolatba, ami olyan rugalmasságot biztosít, amellyel a szupravezető qubitek nem rendelkeznek.”

A Harvard csapata hibajavító technikákat mutatott be néhány egyszerű logikai qubit algoritmushoz, bár a legnagyobbaknál, 48 logikai qubittel, csupán hibaészlelést értek el. Thompson szerint az utóbbi kísérletek azt mutatták, hogy „előnyben utasíthatják el a hibás mérési eredményeket, és így azonosíthatják az eredmények egy részhalmazát, ahol alacsonyabb a hiba”. Ezt a megközelítést utólagos szelekciónak nevezik, és bár szerepet játszhat a kvantumhiba-javításban, önmagában nem oldja meg a problémát.

A Rydberg-atomok új hibajavító kódokat alkalmazhatnak. A harvardi munkában használt felületi kód „nagyon népszerű, de egyben nagyon nem is hatékony” – mondta Saffman; általában sok fizikai qubitre van szükség egy logikai qubit létrehozásához. Más, hatékonyabb javasolt hibajavító kódok hosszabb hatótávolságú interakciókat igényelnek a qubitek között, nem csak a legközelebbi szomszéd párosítást. A semleges atom kvantumszámítással foglalkozó szakemberei úgy gondolják, hogy a nagy hatótávolságú Rydberg-kölcsönhatásoknak megfelelniük kell a feladatnak. „Rendkívül optimista vagyok, hogy a következő két-három év kísérletei megmutatják nekünk, hogy a rezsinek nem kell olyan rossznak lennie, mint azt az emberek gondolták” – mondta Lukin.

Bár még mindig van mit tenni, Steane úgy véli, hogy a Harvard munkája „lépéses változás a hibajavító protokollok laboratóriumi megvalósításának mértékében”.

Kipörgés

Az ilyen fejlesztések Rydberg-atom qubiteket rajzolnak még versenytársaikkal is. "A nagy pontosságú kapuk, a nagy számú qubit, a nagy pontosságú mérések és a rugalmas csatlakoztathatóság kombinációja lehetővé teszi számunkra, hogy a Rydberg-atom tömb valódi versenytársa a szupravezető és a csapdába esett ionos qubitekkel" - mondta Steane.

A szupravezető qubitekhez képest a technológia a beruházási költségek töredékét teszi ki. A Harvard csoportnak van egy spinoff cége Quera, amely már elkészített egy 256 qubites Rydberg kvantumprocesszort ún Sas — egy analóg „kvantumszimulátor”, amely képes szimulációkat futtatni sok kvantumrészecske rendszerei – elérhető a felhőben az Amazon Braket kvantumszámítási platformjával együttműködve. A QEra a kvantumhiba-javítás fejlesztésén is dolgozik.

Saffman csatlakozott egy társasághoz Inflexió, amely semleges atomokból álló optikai platformot fejleszt kvantumérzékelők és kommunikáció, valamint kvantumszámítástechnika számára. „Nem lennék meglepve, ha az egyik nagy IT-cég hamarosan valamilyen partnerségre lépne az egyik ilyen spinoffal” – mondta Adams.

"A skálázható hibajavítás semleges atomos qubitekkel határozottan lehetséges" - mondta Thompson. "Úgy gondolom, hogy néhány éven belül 10,000 XNUMX semleges atomos kubit egyértelműen lehetséges." Ezen túlmenően úgy gondolja, hogy a lézerteljesítmény és a felbontás gyakorlati korlátaira lesz szükség moduláris kialakítások amelyben több különálló atomtömb kapcsolódik egymáshoz.

Ha ez megtörténik, ki tudja, mi lesz belőle? „Még azt sem tudjuk, mit kezdhetünk a kvantumszámítással” – mondta Lukin. "Nagyon remélem, hogy ezek az új fejlesztések segítenek megválaszolni ezeket a kérdéseket."