פרוטוקול מחשוב קוונטי נמנע ממיקוד לאטומים בודדים במערך - עולם הפיזיקה

סיביות קוונטיות (קווביטים) המבוססות על אטומים קרים הם מועמדים אטרקטיביים יותר ויותר עבור מחשוב קוונטי. עם זאת, מיקוד לאטומים בודדים במערך עם לייזרים כדי לתפעל אותם בנפרד לעיבוד מידע קוונטי נותר אתגר. עַכשָׁיו, פרנצ'סקו צ'זה ו האנס פיכלר באוניברסיטת אינסברוק באוסטריה עיצבו פרוטוקול חדש לחישוב קוונטי שאינו מסתמך על מיקוד לאטומים בודדים. חוקרים אחרים מנסים כעת ליישם את הפרוטוקול במעבדה.

מחשבים קוונטיים צריכים להיות מסוגלים לבצע כמה חישובים שהם מעבר ליכולתם של אפילו מחשבי העל הקונבנציונליים החזקים ביותר. עם זאת, הטכנולוגיה עדיין בשלב מוקדם של פיתוח ולא ברור איזה סוג של קיוביטים הם הטובים ביותר. כיום, קיוביטים המבוססים על מעגלים מוליכים הם המתקדמים ביותר - אך גם קיוביטים המבוססים על מערכים של יונים קרים מצאו הצלחה.

לאחרונה, מערכים של אטומים ניטרליים קרים במיוחד נחקרו גם לשימוש כקיוביטים. אטומים אטרקטיביים מכיוון שהם יציבים, ניתנים להרחבה, זהים באופיים וניתנים לשליטה הודות להתקדמות בטכנולוגיות הלייזר. אטומים יכולים להיות נרגשים למצבי Rydberg, מה שמאפשר לאטומים לקיים אינטראקציה ולהסתבך - שזה תהליך מפתח במחשוב קוונטי.

התאמות קוונטיות

במערכים אטומיים, לייזרים יוצרים פינצטה אופטית ברווחים קבועים כדי להחזיק את האטומים במקומם. לייזרים אחרים משמשים כדי להתאים את המצבים הקוונטיים של האטומים על ידי ריגושם; דוחף אותם לשחרר אנרגיה ולחזור למצב הקרקע שלהם; או השארת האטום בסופרפוזיציה של מצבי אנרגיה. סופרפוזיציה שימושית עבור מחשוב קוונטי.

הלייזרים שמתמרנים את מצבי האטומים בדרך כלל מאירים את המערך כולו, מה שמקשה על עיבוד מידע קוונטי המוחזק באטומים בודדים. עם זאת בשנת 2022, צוות חוקרים בארה"ב ובבריטניה הוכיח זאת מיקוד של אטומים בודדים עם קרני לייזר. גם באותה שנה, צוות שכלל את פילצ'ר נקט בגישה אחרת על ידי הזזת אטומים בודדים בתוך מערך

"אני מעריץ גדול של הגישה הזו", אומר פיכלר עולם הפיזיקה, אבל הוא מוסיף שיכולים להיות יתרונות לגישה שאינה דורשת כל כך הרבה שליטה באטומים בודדים.

צ'זה מסכים, "אכן, התוצאות הנוכחיות בנושא הפנייה המקומית מאוד מבטיחות - ומרגשות מאוד - אבל זה נשאר אחד ההיבטים העדינים ביותר של חישוב עם אטומי רידברג". הוא מוסיף, "מובן שהאדם יעדיף להשתמש בכלי עדין כזה כמה שפחות, ובעיקר להסתמך על בקרות גלובליות".

נמתח לאורך

בפרוטוקול החדש שלהם, כל קיוביט הוא מחרוזת אטומים הנקראת חוט. כל חוט יכול להתקיים באחד משני מצבים קוונטיים או בסופרפוזיציה של השניים. צ'זה מסביר, "בכל שלב של החישוב, המידע מאוחסן בתת-קבוצה של האטומים" בכל חוט. תת-קבוצה זו כוללת "אטומי ממשק" הנמצאים בין שני חלקי חוט המורכבים מאטומים שמסודרים בצורה שונה מבחינת מצב הנרגש והקרקע שלהם. בתצורה סטנדרטית, האטומים בצד אחד של ממשק מתחלפים בין מצבי הקרקע לבין מצבי רידברג הנרגשים והאטומים בצד השני נמצאים כולם במצב היסוד.

בתוך חוט, לא ניתן לעורר אטום כשהוא נמצא במרחק מסוים מאטום נרגש אחר - מרחק שנקרא "רדיוס המצור של רידברג". המשמעות היא שדופק אירוע יעורר רק את האטומים בצד אחד של הממשק. האם האטום הראשון לאחר אטום הממשק משנה מצב תלוי במצב אטום הממשק. בדרך זו הממשק והמידע שהוא מקודד יכולים לנוע במעלה החוט בזמן שהמערכת מופעמת - או חזרה במורד החוט אם הפולסים הופכים.

עד כה, המידע שנע מעלה ומטה בשורה נותר ללא שינוי. השינוי מתרחש כאשר אטום הממשק פוגש ב"סופראטומים". אלו הם צבירי אטומים באתרים מסוימים או ביניהם במערך של חוטים שיכולים לשנות את מצב הקיוביט. זה מעבד ביעילות מידע קוונטי המוחזק בתוך מערך.

"אתה יכול לראות את זה כקידוד האלגוריתם ב[תצורה של] אטומי העל או ברצף הפולסים שנע סביב המידע שלך", מסביר פיכלר. הוא מוסיף, "אני חושב שזה יפה שהוא מחבר בין דינמיקה טבעית של מערכות גוף קוונטיות רבות לעיבוד מידע קוונטי בצורה מאוד שקופה".

פרוטוקולים משלימים

פיצ'לר מציין שהפרוטוקול שלהם יכול להשלים טכניקות המכוונות לאטומים בודדים "ככפתור נוסף בתכנון מעבדים קוונטיים". תהליכים מסוימים יכולים להשתמש בגישה הממוקדת, בעוד שתתי שגרות אחרות עשויות להיות מושגות ביעילות על ידי התייחסות גלובלית למערך כולו. "על ידי שימוש ברעיונות שלנו, אפשר לצמצם באופן דרסטי את הקריאות לבקרת אטום אינדיבידואלית, ולהחליט בצורה נבונה מתי להשתמש בה", מוסיף צ'זה.

מארק ספמן באוניברסיטת ויסקונסין במדיסון הוא מומחה למיקוד אטומים בודדים. הוא מתאר את הפרוטוקול החדש כ"פתרון בלתי צפוי להשגת חישוב קוונטי אוניברסלי עם מערכים מבוקרים גלובליים של אטומים המקיימים אינטראקציה בין רידברג".

קיוביט אטום ניטרלי חדש מציע יתרונות עבור מחשוב קוונטי

הוא אמר לי עולם הפיזיקה שהדרישה לשליטה במיקום ובמצב הקוונטי של אטומים בודדים "מטילה עומס כבד על הדרישות של מערכת הבקרה האופטית. הגישה הגלובלית של Cesa ופיצ'לר מסירה את הדרישה הזו, מה שעשוי לקצר את הדרך למדרגיות". עם זאת, הוא גם מציין כי "הארכיטקטורה עדיין לא משלבת תיקון שגיאות, שללא ספק יהיה צורך להגיע ליתרון קוונטי עבור היישומים התובעניים ביותר".

פיכלר וצ'זה מסכימים, והם רואים בתיקון שגיאות את משימת המפתח הבאה. "זוהי דרך חדשה של עיבוד קוונטי והיא דורשת דרך חדשה לחשוב כיצד לדכא שגיאות", אומר פיצ'לר. הוא מציין שמכיוון שכל קיוביט משתמש במחרוזת של אטומים - לא רק באטום אחד - התהליך עשוי להיחשב בתמימות כרגיש יותר לשגיאות. עם זאת, עדיין נותר לראות את ההשפעות של טעויות.

צ'זה ופיצ'לר כבר זיהו תכונות שניתן לנצל כדי לסייע בתיקון שגיאות, והצביעו על כך שלרוב האטומים בכל קיוביט תיל אין מידע הקשור אליהם. "לא צריך תיקון שגיאות קוונטי מלא כדי לתקן שגיאות בסוג זה של אטום סרק", מסביר פיכלר.

פיצ'לר וצ'זה מציעים שהפרוטוקול יכול להועיל גם לפלטפורמות מחשוב קוונטי אחרות כגון אלו המבוססות על מעגלים מוליכים.

הפרוטוקול מתואר בא מאמר שיופיע ב מכתבי סקירה פיזית ב הדפסה מראש זמין ב arXiv.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/quantum-computing-protocol-avoids-targeting-individual-atoms-in-an-array/