중성 원자 양자 컴퓨터가 순간을 보내고 있습니다 – Physics World

미래의 양자 컴퓨팅 플랫폼을 위한 경쟁에서 중성 원자는 약간 약자였습니다. 중성 원자를 기반으로 하는 양자 비트(큐비트)는 큐비트 수를 쉽게 확장하고 병렬로 작업을 수행하는 등 몇 가지 매력적인 특성을 가지고 있지만 대부분의 관심은 경쟁 플랫폼에 집중되었습니다. 가장 큰 기계 중 다수는 초전도 큐비트로 제작되었습니다. IBM, 구글, 아마존및 Microsoft. 다른 회사에서는 다음과 같은 이온을 선택했습니다. 하니웰 및 이온 Q, 또는 광자 제나두.

하지만 지난 몇 주 동안 눈길을 끄는 몇 가지 개발로 인해 중성 원자가 무리의 선두로 밀려났습니다. 그 중 하나는 Atom Computing이라는 스타트업에서 나왔습니다. XNUMX월 말 발표 곧 갖게 될 거라고 1000큐비트 중성원자 기계 고객을 위한 준비 – 이 이정표를 통과한 최초의 상용 양자 장치입니다. 나머지는 별도의 연구를 발표한 세 팀의 연구원에서 나왔습니다. 자연 저잡음, 새로운 오류 완화 기능, 훨씬 더 많은 수의 큐비트로 확장할 수 있는 강력한 잠재력을 갖춘 중성 원자 플랫폼을 설명합니다.

모든 큐비트 플랫폼에서 강력한 양자 작업에 대한 가장 큰 장벽은 소음과 이로 인해 발생하는 오류입니다. "오류 수정은 실제로 양자 컴퓨팅의 최전선입니다."라고 말합니다. 제프 톰슨, 미국 프린스턴 대학의 물리학자 세 가지 연구 중 하나 와 함께 슈루티 푸리 미국 예일대학교 출신. "그것은 우리 사이에 서서 실제로 유용한 계산을 수행하는 것입니다."

오류 수정이 중요한 이유는 기본 하드웨어에 소음이 발생하는 경우에도 계산이 가능하기 때문입니다. 기존 컴퓨터는 반복 코드라는 간단한 오류 수정 전략을 사용합니다. 동일한 정보를 여러 번 저장하여 한 비트에 오류가 있어도 나머지 비트의 "다수 투표"가 여전히 올바른 값을 가리키도록 합니다. 양자 오류 수정 알고리즘은 본질적으로 이보다 더 복잡한 버전이지만 플랫폼이 이를 활용하려면 하드웨어가 최소한의 충실도 요구 사항을 충족해야 합니다. 전통적인 양자 알고리즘의 경우 경험 법칙에 따르면 양자 계산의 최소 단위인 양자 게이트의 오류율은 1% 미만이어야 합니다.

소음을 낮추는 것

연구원 주도 미하일 루킨 미국 하버드대학교의 지금보고 중성 원자 양자 컴퓨터가 해당 임계값을 충족하여 0.5%의 오류율을 달성했습니다. 그들은 팀이 개척한 방식으로 XNUMX큐비트 게이트를 구현하여 이 이정표에 도달했습니다. 독일 및 프랑스, 그리고 인근 매사추세츠 공과대학(MIT)의 동료들과 함께 개발한 그들의 기계는 다음과 같이 작동합니다.

첫째, 루비듐 원자의 증기는 절대 영도 바로 위까지 냉각됩니다. 그런 다음 광학 집게로 알려진 기술을 사용하여 단단히 집중된 레이저 빔에 의해 개별 원자를 포착하고 고정합니다. 각 원자는 단일 큐비트를 나타내며, 수백 개가 XNUMX차원 배열로 배열됩니다. 이러한 큐비트의 양자 정보(XNUMX 또는 XNUMX 또는 둘의 양자 중첩)는 루비듐 원자의 두 가지 다른 에너지 레벨에 저장됩니다.

XNUMX큐비트 게이트를 수행하려면 두 원자를 서로 가까이 가져오고 동시에 레이저로 조명합니다. 조명은 원자의 전자 중 하나를 Rydberg 상태로 알려진 높은 에너지 수준으로 승격시킵니다. 이 상태에 있으면 원자는 가까운 이웃과 쉽게 상호 작용하여 게이트 작동이 가능해집니다.

작업의 충실도를 높이기 위해 팀은 두 원자를 Rydberg 상태로 여기시켰다가 다시 낮추기 위해 최근 개발된 최적화된 펄스 시퀀스를 사용했습니다. 이 펄스 시퀀스는 이전 버전보다 빠르므로 원자가 잘못된 상태로 붕괴되어 계산이 중단될 가능성이 줄어듭니다. 이를 다른 기술 개선과 결합하여 팀은 99.5큐비트 게이트에 대해 XNUMX% 충실도에 도달할 수 있었습니다.

다른 플랫폼이 비슷한 충실도를 달성했지만 중성 원자 양자 컴퓨터는 더 많은 계산을 병렬로 수행할 수 있습니다. 실험에서 Lukin과 그의 팀은 동일한 레이저 펄스로 조명하여 60큐비트 게이트를 XNUMX큐비트에 동시에 적용했습니다. Lukin은 “이것은 매우 특별합니다. 왜냐하면 우리는 높은 충실도를 가질 수 있고 단 하나의 글로벌 제어를 통해 병렬로 수행할 수 있기 때문입니다. 실제로 다른 어떤 플랫폼도 그렇게 할 수 없습니다.”

오류 지우기

Lukin의 팀은 오류 수정 계획을 적용하기 위한 충실도 임계값을 충족하기 위해 실험을 최적화했지만 Thompson과 Puri는 프랑스 스트라스부르 대학의 동료들과 함께 특정 종류의 오류를 삭제로 변환하여 시스템에서 완전히 제거하는 방법을 찾았습니다. . 이렇게 하면 이러한 오류를 수정하기가 훨씬 쉬워지고 오류 수정 체계가 작동하기 위한 임계값이 낮아집니다.

Thompson과 Puri의 설정은 Harvard-MIT 팀의 설정과 유사하며 개별 초저온 원자가 광학 핀셋에 고정되어 있습니다. 가장 큰 차이점은 루비듐 대신 이테르븀 원자를 사용했다는 것입니다. 이테르븀은 루비듐보다 더 복잡한 에너지 준위 구조를 가지고 있어 작업하기가 더 어렵지만 양자 상태를 인코딩하기 위한 더 많은 옵션을 제공합니다. 이 경우 연구원들은 기존의 가장 낮은 두 에너지 수준이 아닌 두 개의 준안정 상태에서 큐비트의 "XNUMX"과 "XNUMX"을 인코딩했습니다. 이러한 준안정 상태는 수명이 더 짧지만 가능한 많은 오류 메커니즘으로 인해 원자가 이러한 상태에서 벗어나 감지될 수 있는 바닥 상태로 충돌합니다.

오류를 삭제할 수 있다는 것은 큰 장점입니다. 일반적으로 반복 코드의 비트 중 절반 이상이 오류가 있으면 잘못된 정보가 전송됩니다. Thompson은 “그러나 삭제 모델을 사용하면 어떤 비트에 오류가 있는지 알 수 있으므로 훨씬 더 강력해지며 이를 다수결 투표에서 제외할 수 있습니다.”라고 Thompson은 설명합니다. "그래서 나에게 필요한 것은 딱 한 조각만 남겨두는 것뿐이에요."

삭제 변환 기술 덕분에 Thompson과 동료들은 오류의 약 98분의 10을 실시간으로 감지할 수 있었습니다. 000%의 99큐비트 게이트 충실도는 Harvard-MIT 팀의 시스템보다 낮지만 Thompson은 게이트를 구동하는 데 거의 90배 적은 레이저 전력을 사용했으며 전력을 높이면 성능이 향상되는 동시에 허용되는 성능도 향상된다고 지적합니다. 더 많은 오류를 감지할 수 있습니다. 오류 삭제 기술은 또한 오류 수정 임계값을 XNUMX% 미만으로 낮춥니다. 톰슨에 따르면 거의 모든 오류가 삭제로 변환되는 시나리오에서는 임계값이 XNUMX%까지 낮을 수 있습니다.

다중화 오류 삭제

안에 관련 결과, 미국 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구진도 오류를 삭제로 변환했습니다. 그들의 스트론튬 기반 중성 원자 기계는 양자 시뮬레이터로 알려진 보다 제한된 종류의 양자 컴퓨터입니다. 그들은 Rydberg 상태까지 원자를 여기시키고 바닥 상태와 Rydberg 상태 사이에 얽힌 중첩을 생성할 수 있지만 시스템에는 바닥 상태가 하나만 있습니다. 이는 양자 정보를 장기간 저장할 수 없다는 것을 의미합니다.

새로운 중성 원자 큐비트는 양자 컴퓨팅에 이점을 제공합니다.

그러나 그들은 전례 없는 충실도인 99.9%로 이러한 얽힌 중첩을 만들었습니다. 그들은 또한 26개의 원자가 아닌 XNUMX개의 원자로 구성된 거대한 중첩을 만들었고 일부 오류를 삭제하여 충실도를 향상시켰습니다. "우리는 기본적으로 이 기술을 다체 영역에 의미있게 도입할 수 있음을 보여줍니다."라고 말합니다. 아담 쇼, 박사과정 학생 마누엘 엔드레스의 그룹 칼텍에서.

세 가지 진보는 함께 중성 원자 양자 컴퓨터의 능력을 보여주며, 연구자들은 그들의 아이디어가 지금까지 시연된 것보다 훨씬 더 잘 작동하는 기계로 결합될 수 있다고 말합니다. "이 모든 작품이 함께 나왔다는 사실은 뭔가 특별한 것이 곧 다가올 것이라는 조짐입니다."라고 Lukin은 결론을 내렸습니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/