Komputer kuantum atom netral sedang mengalami momen – Dunia Fisika

Dalam perlombaan untuk platform komputasi kuantum masa depan, atom netral sedikit diunggulkan. Meskipun bit kuantum (qubit) berdasarkan atom netral memiliki beberapa karakteristik menarik, termasuk kemudahan meningkatkan jumlah qubit dan melakukan operasi pada qubit tersebut secara paralel, sebagian besar perhatian terfokus pada platform pesaing. Banyak mesin terbesar dibuat dengan qubit superkonduktor, termasuk yang dikembangkan di IBM, Google, Amazon, dan Microsoft. Perusahaan lain telah memilih ion, seperti Honeywell dan ionQ, atau foton, misalnya Xanadu.

Namun, dalam beberapa minggu terakhir, beberapa perkembangan menarik telah mendorong atom netral menjadi yang terdepan. Salah satunya datang dari start-up bernama Atom Computing yang diumumkan pada akhir Oktober bahwa itu akan segera memiliki a Mesin atom netral 1000-qubit siap untuk pelanggan – perangkat kuantum komersial pertama yang melampaui pencapaian ini. Yang lainnya berasal dari tiga tim peneliti yang menerbitkan studi terpisah di tahun 2017 Alam menggambarkan platform atom netral dengan noise rendah, kapasitas mitigasi kesalahan baru, dan potensi kuat untuk meningkatkan jumlah qubit yang lebih besar.

Untuk platform qubit mana pun, hambatan terbesar terhadap operasi kuantum yang kuat adalah kebisingan dan kesalahan yang ditimbulkannya. “Koreksi kesalahan benar-benar merupakan garda depan komputasi kuantum,” katanya Jeff Thompson, seorang fisikawan di Universitas Princeton, AS yang memimpin salah satu dari tiga penelitian Bersama Shruti Puri dari Universitas Yale, AS. “Itu adalah hal yang menghalangi kita dan benar-benar melakukan perhitungan yang berguna.”

Alasan mengapa koreksi kesalahan sangat penting adalah karena hal ini memungkinkan penghitungan meskipun perangkat keras yang mendasarinya rentan terhadap gangguan. Komputer klasik menggunakan strategi koreksi kesalahan sederhana yang disebut kode pengulangan: menyimpan informasi yang sama beberapa kali sehingga jika ada kesalahan dalam satu bit, “suara mayoritas” dari bit yang tersisa akan tetap menunjuk ke nilai yang benar. Algoritme koreksi kesalahan kuantum pada dasarnya adalah versi yang lebih kompleks, tetapi sebelum platform dapat memanfaatkannya, perangkat kerasnya harus memenuhi beberapa persyaratan fidelitas minimal. Untuk algoritma kuantum tradisional, aturan praktisnya adalah tingkat kesalahan untuk unit minimum komputasi kuantum – gerbang kuantum – harus di bawah 1%.

Mengurangi kebisingan

Peneliti yang dipimpin oleh Mikhail lukin dari Universitas Harvard, AS, adalah sekarang melaporkan bahwa komputer kuantum atom netral mereka telah memenuhi ambang batas tersebut, mencapai tingkat kesalahan 0.5%. Mereka mencapai tonggak sejarah ini dengan menerapkan gerbang dua qubit dengan cara yang dipelopori oleh tim di Jerman dan Prancis, dan mesin mereka, yang mereka kembangkan bersama rekan-rekan di Institut Teknologi Massachusetts (MIT), bekerja sebagai berikut.

Pertama, uap atom rubidium didinginkan hingga sedikit di atas nol mutlak. Kemudian, masing-masing atom ditangkap dan ditahan oleh sinar laser yang terfokus erat dalam teknik yang dikenal sebagai optical tweezing. Setiap atom mewakili satu qubit, dan ratusan disusun dalam array dua dimensi. Informasi kuantum dalam qubit ini – nol atau satu atau superposisi kuantum keduanya – disimpan dalam dua tingkat energi atom rubidium yang berbeda.

Untuk melakukan gerbang dua qubit, dua atom didekatkan satu sama lain dan secara bersamaan disinari oleh laser. Penerangan mendorong salah satu elektron atom ke tingkat energi tinggi yang dikenal sebagai keadaan Rydberg. Setelah berada dalam keadaan ini, atom dengan mudah berinteraksi dengan tetangga dekatnya, sehingga pengoperasian gerbang dapat dilakukan.

Untuk meningkatkan keakuratan operasi, tim menggunakan rangkaian pulsa optimal yang dikembangkan baru-baru ini untuk menarik dua atom ke keadaan Rydberg dan menurunkannya kembali. Urutan pulsa ini lebih cepat dibandingkan versi sebelumnya, sehingga atom mempunyai peluang lebih kecil untuk meluruh ke keadaan yang salah, yang akan merusak perhitungan. Menggabungkan hal ini dengan peningkatan teknis lainnya memungkinkan tim mencapai fidelitas 99.5% untuk gerbang dua qubit.

Meskipun platform lain telah mencapai ketelitian yang sebanding, komputer kuantum atom netral dapat melakukan lebih banyak komputasi secara paralel. Dalam eksperimennya, Lukin dan timnya menerapkan gerbang dua qubit ke 60 qubit sekaligus hanya dengan menyinari mereka dengan pulsa laser yang sama. “Hal ini menjadikannya sangat, sangat istimewa,” kata Lukin, “karena kita dapat memiliki kesetiaan yang tinggi dan kita dapat melakukannya secara paralel hanya dengan satu kendali global. Tidak ada platform lain yang bisa melakukan itu.”

Menghapus kesalahan

Sementara tim Lukin mengoptimalkan eksperimen mereka untuk memenuhi ambang batas fidelitas dalam menerapkan skema koreksi kesalahan, Thompson dan Puri, bersama dengan rekan-rekannya di Universitas Strasbourg, Prancis, menemukan cara untuk mengubah jenis kesalahan tertentu menjadi penghapusan, dan menghapus kesalahan tersebut dari sistem sama sekali. . Hal ini membuat kesalahan-kesalahan ini lebih mudah untuk diperbaiki, sehingga menurunkan ambang batas agar skema koreksi kesalahan dapat berfungsi.

Penyiapan Thompson dan Puri serupa dengan yang dilakukan tim Harvard-MIT, dengan masing-masing atom ultradingin disimpan dalam pinset optik. Perbedaan utamanya adalah mereka menggunakan atom ytterbium dan bukan rubidium. Ytterbium memiliki struktur tingkat energi yang lebih rumit dibandingkan rubidium, sehingga lebih sulit untuk dikerjakan namun juga memberikan lebih banyak pilihan untuk pengkodean keadaan kuantum. Dalam hal ini, para peneliti mengkodekan “nol” dan “satu” dari qubit mereka dalam dua keadaan metastabil, bukan dua tingkat energi terendah yang biasa. Meskipun keadaan metastabil ini memiliki masa hidup yang lebih pendek, banyak mekanisme kesalahan yang mungkin terjadi akan membuat atom keluar dari keadaan ini dan masuk ke keadaan dasar, di mana mereka dapat dideteksi.

Mampu menghapus kesalahan adalah keuntungan besar. Secara klasik, jika lebih dari separuh bit dalam kode pengulangan mengalami kesalahan, informasi yang salah akan dikirimkan. “Tetapi dengan model penghapusan, ini jauh lebih kuat karena sekarang saya tahu bit mana yang memiliki kesalahan, sehingga saya dapat mengecualikannya dari suara terbanyak,” jelas Thompson. “Jadi yang kubutuhkan hanyalah ada satu bagian yang tersisa.”

Berkat teknik konversi penghapusan, Thompson dan rekannya mampu mendeteksi sekitar sepertiga kesalahan secara real time. Meskipun ketelitian gerbang dua-qubit mereka sebesar 98% lebih rendah dibandingkan mesin tim Harvard-MIT, Thompson mencatat bahwa mereka menggunakan daya laser hampir 10 kali lebih sedikit untuk menggerakkan gerbang mereka, dan meningkatkan daya akan meningkatkan kinerja sekaligus memungkinkan sebagian besar kesalahan dapat dideteksi. Teknik penghapusan kesalahan juga menurunkan ambang batas koreksi kesalahan hingga di bawah 000%; dalam skenario di mana hampir semua kesalahan diubah menjadi penghapusan, yang menurut Thompson seharusnya bisa dilakukan, ambang batasnya bisa serendah 99%.

Penghapusan kesalahan multiplexing

Di sebuah hasil terkait, peneliti di California Institute of Technology, AS (Caltech) juga mengubah kesalahan menjadi penghapusan. Mesin atom netral berbasis strontium mereka adalah jenis komputer kuantum yang lebih terbatas yang dikenal sebagai simulator kuantum: meskipun mereka dapat merangsang atom hingga keadaan Rydberg dan menciptakan superposisi terjerat antara keadaan dasar dan keadaan Rydberg, sistem mereka hanya memiliki satu keadaan dasar, yang berarti mereka tidak dapat menyimpan informasi kuantum dalam jangka panjang.

Qubit atom netral baru menawarkan keuntungan untuk komputasi kuantum

Namun, mereka menciptakan superposisi yang terjerat ini dengan tingkat ketelitian yang belum pernah terjadi sebelumnya: 99.9%. Mereka juga membuat superposisi besar yang tidak hanya terdiri dari dua atom, tetapi 26 atom, dan meningkatkan ketelitian dengan menghapus beberapa kesalahan. “Kami pada dasarnya menunjukkan bahwa Anda dapat membawa teknik ini ke ranah banyak orang secara bermakna,” katanya Adam Shaw, seorang mahasiswa PhD di Kelompok Manuel Endres di Caltech.

Ketiga kemajuan tersebut menunjukkan kemampuan komputer kuantum atom netral, dan para peneliti mengatakan bahwa ide-ide mereka dapat digabungkan menjadi sebuah mesin yang bekerja lebih baik daripada yang telah ditunjukkan sejauh ini. “Fakta bahwa semua karya ini muncul secara bersamaan, ini merupakan pertanda bahwa sesuatu yang istimewa akan segera datang,” tutup Lukin.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/