Kwantumcomputers met neutrale atomen hebben een moment – ​​Physics World

Kwantumcomputers met neutrale atomen hebben een moment – ​​Physics World

Tijdstempel: 9 november 2023 9:26 uur

Foto van optica badend in groen en blauw licht
Alle systemen gaan: een straal laserlicht in het laboratorium van Jeff Thompson aan de Princeton University, waar hij en zijn collega's onlangs een nieuwe manier hebben gedemonstreerd om fouten in een kwantumcomputer met neutrale atomen te wissen. (Met dank aan Frank Wojciechowski)

In de race om het kwantumcomputerplatform van de toekomst zijn neutrale atomen een beetje een underdog geweest. Hoewel kwantumbits (qubits) op basis van neutrale atomen verschillende aantrekkelijke kenmerken hebben, waaronder het gemak waarmee qubit-nummers kunnen worden opgeschaald en parallel daaraan bewerkingen kunnen worden uitgevoerd, is de meeste aandacht uitgegaan naar concurrerende platforms. Veel van de grootste machines zijn gebouwd met supergeleidende qubits, inclusief de qubits die zijn ontwikkeld in IBM, Kopen Google Reviews, Amazone en Microsoft. Andere bedrijven hebben voor ionen gekozen, zoals Honeywell en IonQ, of fotonen, zoals Xanadu.

De afgelopen weken hebben verschillende opvallende ontwikkelingen de neutrale atomen echter naar de voorkant van het peloton geduwd. Eén ervan kwam van een start-up genaamd Atom Computing aangekondigd eind oktober dat het binnenkort een 1000-qubit neutrale atoommachine klaar voor klanten – het eerste commerciële kwantumapparaat dat deze mijlpaal passeert. De anderen kwamen uit drie teams van onderzoekers die afzonderlijke onderzoeken publiceerden NATUUR het beschrijven van neutrale-atoomplatforms met weinig ruis, nieuwe foutbeperkingscapaciteiten en een groot potentieel voor opschaling naar nog grotere aantallen qubits.

Voor elk qubit-platform zijn de grootste obstakels voor robuuste kwantumoperaties ruis en de fouten die dit veroorzaakt. “Foutcorrectie is echt de grens van kwantumcomputing”, zegt Jeff Thompson, een natuurkundige aan de Princeton University, VS die leiding gaf een van de drie onderzoeken met Shruti Puri van de Yale Universiteit, VS. "Het is het ding dat tussen ons in staat en daadwerkelijk nuttige berekeningen uitvoert."

De reden dat foutcorrectie zo belangrijk is, is dat het berekeningen mogelijk maakt, zelfs als de onderliggende hardware gevoelig is voor ruis. Klassieke computers gebruiken een eenvoudige foutcorrectiestrategie, een zogenaamde herhalingscode: sla dezelfde informatie meerdere keren op, zodat als er een fout in één bit zit, de “meerderheidsstem” van de resterende bits nog steeds naar de juiste waarde zal wijzen. Kwantumfoutcorrectie-algoritmen zijn in wezen complexere versies hiervan, maar voordat een platform hiervan kan profiteren, moet de hardware aan een aantal minimale betrouwbaarheidseisen voldoen. Voor traditionele kwantumalgoritmen geldt als vuistregel dat het foutenpercentage voor de minimale eenheid voor kwantumberekening – een kwantumpoort – minder dan 1% moet zijn.

Het geluid naar beneden halen

Onderzoekers geleid door Mikhail Lukin van Harvard University, VS, zijn nu rapporterend dat hun kwantumcomputer met neutrale atomen die drempel heeft bereikt en een foutenpercentage van 0.5% heeft bereikt. Ze bereikten deze mijlpaal door twee-qubit-poorten te implementeren op een manier die is ontwikkeld door teams in Duitsland en Frankrijk, en hun machine, die ze samen met collega's van het naburige Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben ontwikkeld, werkt als volgt.

Eerst wordt een damp van rubidiumatomen afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt. Vervolgens worden individuele atomen opgevangen en vastgehouden door strak gefocusseerde laserstralen in een techniek die bekend staat als optisch pincet. Elk atoom vertegenwoordigt een enkele qubit, en honderden zijn gerangschikt in een tweedimensionale array. De kwantuminformatie in deze qubits – een nul of één of een kwantumsuperpositie van de twee – wordt opgeslagen in twee verschillende energieniveaus van de rubidiumatomen.

Om een ​​poort van twee qubits uit te voeren, worden twee atomen bij elkaar gebracht en tegelijkertijd belicht door een laser. De verlichting bevordert een van de elektronen van het atoom naar een hoog energieniveau dat bekend staat als een Rydberg-toestand. Eenmaal in deze toestand kunnen atomen gemakkelijk communiceren met hun naaste buren, waardoor de poortwerking mogelijk wordt.

Om de betrouwbaarheid van de operatie te verbeteren, gebruikte het team een ​​onlangs ontwikkelde geoptimaliseerde pulsreeks om de twee atomen naar de Rydberg-toestand te brengen en ze weer naar beneden te brengen. Deze pulssequentie is sneller dan eerdere versies, waardoor de atomen minder kans krijgen om in de verkeerde toestand te vervallen, wat de berekening zou verbreken. Door dit te combineren met andere technische verbeteringen kon het team een ​​betrouwbaarheid van 99.5% bereiken voor poorten van twee qubit.

Hoewel andere platforms vergelijkbare betrouwbaarheid hebben bereikt, kunnen kwantumcomputers met neutrale atomen meer berekeningen parallel uitvoeren. In hun experiment pasten Lukin en zijn team hun twee-qubit-poort toe op 60 qubits tegelijk, simpelweg door ze met dezelfde laserpuls te verlichten. “Dit maakt het heel bijzonder”, zegt Lukin, “omdat we een hoge betrouwbaarheid kunnen hebben en dit parallel kunnen doen met slechts één enkele mondiale controle. Geen enkel ander platform kan dat daadwerkelijk doen.”

Fouten wissen

Een kunstenaarstekening van vijf bollen in een lijn. De bollen vertegenwoordigen atomen; vier van de atomen zijn geel, terwijl een ervan roze gloeit
Vreemd atoom eruit: door een manier te vinden om atomen in de ‘verkeerde’ staat te identificeren en ze uit het systeem te verwijderen, hebben onderzoekers van Princeton, Yale en Caltech laten zien hoe kwantumoperaties efficiënter kunnen worden gemaakt in machines met neutrale atomen. (Met dank aan: Caltech/Lance Hayashida)

Terwijl het team van Lukin hun experiment optimaliseerde om te voldoen aan de getrouwheidsdrempel voor het toepassen van foutcorrectieschema's, vonden Thompson en Puri, samen met collega's van de Universiteit van Straatsburg, Frankrijk, een manier om bepaalde soorten fouten om te zetten in verwijderingen en ze helemaal uit het systeem te verwijderen. . Dit maakt het veel gemakkelijker om deze fouten te corrigeren, waardoor de drempel voor foutcorrectieschema's wordt verlaagd.

De opstelling van Thompson en Puri is vergelijkbaar met die van het Harvard-MIT-team, met individuele ultrakoude atomen in een optisch pincet. Het belangrijkste verschil is dat ze ytterbiumatomen gebruikten in plaats van rubidium. Ytterbium heeft een ingewikkeldere structuur op energieniveau dan rubidium, wat het moeilijker maakt om mee te werken, maar ook meer opties biedt voor het coderen van kwantumtoestanden. In dit geval codeerden de onderzoekers de ‘nul’ en ‘één’ van hun qubits in twee metastabiele toestanden, in plaats van de traditionele laagste twee energieniveaus. Hoewel deze metastabiele toestanden een kortere levensduur hebben, zouden veel van de mogelijke foutmechanismen de atomen uit deze toestanden naar de grondtoestand stoten, waar ze kunnen worden gedetecteerd.

Het kunnen verwijderen van fouten is een grote zegen. Klassiek gesproken geldt dat als meer dan de helft van de bits in een herhalingscode fouten bevatten, de verkeerde informatie wordt verzonden. "Maar met het wismodel is het veel krachtiger, omdat ik nu weet welke bits een fout bevatten, zodat ik ze kan uitsluiten van de meerderheidsstemming", legt Thompson uit. ‘Dus het enige wat ik nodig heb, is dat er nog een goed stukje over is.’

Dankzij hun wisconversietechniek konden Thompson en collega's ongeveer een derde van de fouten in realtime detecteren. Hoewel hun twee-qubit-poortgetrouwheid van 98% minder is dan die van de machine van het Harvard-MIT-team, merkt Thompson op dat ze bijna 10 keer minder laservermogen gebruikten om hun poort aan te drijven, en dat het verhogen van het vermogen de prestaties zal verbeteren en tegelijkertijd een groter deel van de fouten die moeten worden gedetecteerd. De foutverwijderingstechniek verlaagt ook de drempel voor foutcorrectie tot onder 000%; in een scenario waarin bijna alle fouten worden omgezet in verwijderingen, wat volgens Thompson mogelijk zou moeten zijn, zou de drempel zo laag kunnen zijn als 99%.

Wissen van multiplexfouten

In een gerelateerd resultaat, hebben onderzoekers van het California Institute of Technology, VS (Caltech) ook fouten omgezet in uitwissingen. Hun op strontium gebaseerde neutrale atoommachine is een beperkter soort kwantumcomputer die bekend staat als een kwantumsimulator: hoewel ze atomen tot aan de Rydberg-toestand kunnen exciteren en verstrengelde superposities tussen de grond en de Rydberg-toestand kunnen creëren, heeft hun systeem slechts één grondtoestand. wat betekent dat ze kwantuminformatie niet op lange termijn kunnen opslaan.

Ze creëerden deze verstrengelde superposities echter met een ongekende betrouwbaarheid: 99.9%. Ze maakten ook een enorme superpositie bestaande uit niet slechts twee atomen, maar 26, en verbeterden de betrouwbaarheid hiervan door enkele fouten uit te wissen. “We laten feitelijk zien dat je deze techniek op een zinvolle manier naar het rijk van de vele lichamen kunt brengen”, zegt Adam Shaw, een promovendus in De groep van Manuel Endres bij Caltech.

Samen laten de drie ontwikkelingen de mogelijkheden van kwantumcomputers met neutrale atomen zien, en de onderzoekers zeggen dat hun ideeën kunnen worden gecombineerd tot een machine die zelfs beter werkt dan de tot nu toe gedemonstreerde machines. “Het feit dat al deze werken samen zijn verschenen, is een klein teken dat er iets bijzonders gaat gebeuren”, besluit Lukin.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld