Komputery kwantowe wykorzystujące atomy neutralne przeżywają swój moment – ​​Świat Fizyki

Komputery kwantowe wykorzystujące atomy neutralne przeżywają swój moment – ​​Świat Fizyki

Znacznik czasu: 9 listopada 2023 9:26

Zdjęcie optyki skąpanej w zielonym i niebieskim świetle
Wszystkie systemy działają: wiązka światła laserowego w laboratorium Jeffa Thompsona na Uniwersytecie Princeton, gdzie on i jego koledzy niedawno zademonstrowali nowy sposób usuwania błędów w komputerze kwantowym z atomami neutralnymi. (Dzięki uprzejmości: Frank Wojciechowski)

W wyścigu o platformę obliczeń kwantowych przyszłości neutralne atomy okazały się nieco słabsze. Chociaż bity kwantowe (kubity) oparte na atomach neutralnych mają kilka atrakcyjnych cech, w tym łatwość skalowania liczb kubitów i równoległego wykonywania na nich operacji, większość uwagi skupiła się na konkurencyjnych platformach. Wiele największych maszyn zbudowanych jest z kubitów nadprzewodzących, w tym te opracowane w IBM, Google, Amazonka, Microsoft. Inne firmy zdecydowały się na jony, np Honeywell i IonQlub fotony, np Xanadu.

Jednak w ciągu ostatnich kilku tygodni kilka przyciągających wzrok wydarzeń wypchnęło neutralne atomy na przód pakietu. Jeden z nich pochodził ze start-upu Atom Computing, który ogłoszony pod koniec października że wkrótce będzie miał Maszyna z atomami neutralnymi o pojemności 1000 kubitów gotowe dla klientów – pierwsze komercyjne urządzenie kwantowe, które przekroczyło ten kamień milowy. Pozostałe pochodziły z trzech zespołów badaczy, które opublikowały osobne badania w Natura opisując platformy atomów neutralnych o niskim poziomie szumów, nowych możliwościach łagodzenia błędów i dużym potencjale skalowania do jeszcze większej liczby kubitów.

W przypadku każdej platformy kubitowej największą przeszkodą w niezawodnych operacjach kwantowych jest szum i powodowane przez niego błędy. „Korekcja błędów to naprawdę granica obliczeń kwantowych” – mówi Jeff Thompson, fizyk z Uniwersytetu Princeton w USA, który kierował jedno z trzech badań Wraz z Shruti Puri Uniwersytetu Yale w USA. „To coś, co stoi między nami i faktycznie wykonuje przydatne obliczenia”.

Korekcja błędów jest tak ważna dlatego, że umożliwia obliczenia nawet wtedy, gdy podstawowy sprzęt jest podatny na zakłócenia. Klasyczne komputery stosują prostą strategię korekcji błędów zwaną kodem powtórzenia: przechowują te same informacje wiele razy, więc jeśli wystąpi błąd w jednym bicie, „głos większości” pozostałych bitów nadal będzie wskazywał poprawną wartość. Algorytmy kwantowej korekcji błędów są zasadniczo bardziej złożonymi wersjami tego rozwiązania, ale zanim platforma będzie mogła z nich skorzystać, ich sprzęt musi spełnić pewne minimalne wymagania dotyczące wierności. W przypadku tradycyjnych algorytmów kwantowych ogólną zasadą jest to, że poziom błędu minimalnej jednostki obliczeń kwantowych – bramki kwantowej – powinien wynosić poniżej 1%.

Wyciszenie hałasu

Naukowcy prowadzeni przez Michaił Lukin Uniwersytetu Harvarda w USA teraz zgłaszam że ich komputer kwantowy wykorzystujący atomy neutralne osiągnął ten próg, osiągając poziom błędu na poziomie 0.5%. Osiągnęli ten kamień milowy, wdrażając bramki z dwoma kubitami w sposób pionierski dla zespołów w Niemcy i Francjai ich maszyna, którą opracowali wraz z kolegami z sąsiedniego Massachusetts Institute of Technology (MIT), działają w następujący sposób.

Najpierw para atomów rubidu jest schładzana do temperatury nieco powyżej zera absolutnego. Następnie poszczególne atomy są wychwytywane i utrzymywane przez ściśle skupione wiązki lasera w technice zwanej pęsetą optyczną. Każdy atom reprezentuje pojedynczy kubit, a setki są ułożone w dwuwymiarową tablicę. Informacja kwantowa zawarta w tych kubitach – zero, jedynka lub kwantowa superpozycja obu – jest przechowywana na dwóch różnych poziomach energii atomów rubidu.

Aby wykonać bramkę dwukubitową, dwa atomy zbliżają się do siebie i jednocześnie oświetlają je laserem. Oświetlenie powoduje, że jeden z elektronów atomu osiąga wysoki poziom energii znany jako stan Rydberga. Będąc w tym stanie, atomy z łatwością wchodzą w interakcję ze swoimi bliskimi sąsiadami, umożliwiając działanie bramki.

Aby poprawić dokładność operacji, zespół zastosował niedawno opracowaną zoptymalizowaną sekwencję impulsów do wzbudzenia dwóch atomów do stanu Rydberga i sprowadzenia ich z powrotem. Ta sekwencja impulsów jest szybsza niż poprzednie wersje, co daje atomom mniejsze ryzyko rozpadu do niewłaściwego stanu, co zakłóciłoby obliczenia. Połączenie tego z innymi ulepszeniami technicznymi pozwoliło zespołowi osiągnąć 99.5% wierności dla bramek dwukubitowych.

Chociaż inne platformy osiągnęły porównywalną dokładność, komputery kwantowe wykorzystujące atomy neutralne mogą wykonywać więcej obliczeń równolegle. W swoim eksperymencie Lukin i jego zespół zastosowali bramkę z dwoma kubitami do 60 kubitów jednocześnie, po prostu oświetlając je tym samym impulsem laserowym. „To sprawia, że ​​jest to bardzo, bardzo wyjątkowe” – mówi Lukin – „ponieważ możemy uzyskać wysoką wierność i możemy to robić równolegle z tylko jednym globalnym sterowaniem. Żadna inna platforma tak naprawdę nie jest w stanie tego zrobić”.

Kasowanie błędów

Artystyczny rysunek przedstawiający pięć kul w linii. Kule reprezentują atomy; cztery atomy są żółte, a jeden z nich świeci na różowo
Nieparzysty atom: znajdując sposób na identyfikację atomów w „złym” stanie i usunięcie ich z układu, naukowcy z Princeton, Yale i Caltech pokazali, jak zwiększyć wydajność operacji kwantowych w maszynach z atomami neutralnymi. (Dzięki uprzejmości: Caltech/Lance Hayashida)

Podczas gdy zespół Lukina zoptymalizował swój eksperyment, aby osiągnąć próg wierności stosowania schematów korekcji błędów, Thompson i Puri wraz z kolegami z Uniwersytetu w Strasburgu we Francji znaleźli sposób na przekształcenie niektórych rodzajów błędów w wymazania, całkowicie usuwając je z systemu . Dzięki temu błędy te są znacznie łatwiejsze do skorygowania, obniżając próg działania schematów korekcji błędów.

Układ Thompsona i Puri jest podobny do układu zespołu Harvard-MIT, z pojedynczymi ultrazimnymi atomami trzymanymi w pęsetach optycznych. Główna różnica polega na tym, że zamiast rubidu użyto atomów iterbu. Iterb ma bardziej skomplikowaną strukturę poziomów energetycznych niż rubid, co utrudnia pracę z nim, ale zapewnia także więcej możliwości kodowania stanów kwantowych. W tym przypadku badacze zakodowali „zero” i „jeden” swoich kubitów w dwóch stanach metastabilnych, a nie w tradycyjnych dwóch najniższych poziomach energii. Chociaż te stany metastabilne mają krótszy czas życia, wiele możliwych mechanizmów błędów spowodowałoby wyrzucenie atomów z tych stanów do stanu podstawowego, gdzie można je wykryć.

Możliwość usuwania błędów to wielka zaleta. Klasycznie, jeśli więcej niż połowa bitów w kodzie powtórzenia zawiera błędy, przesyłane będą nieprawidłowe informacje. „Ale model wymazywania ma znacznie większe możliwości, ponieważ teraz wiem, w których bitach wystąpił błąd, więc mogę je wykluczyć z głosowania większościowego” – wyjaśnia Thompson. „Więc jedyne, czego potrzebuję, to aby został jeden dobry kawałek.”

Dzięki technice konwersji wymazywania Thompson i współpracownicy byli w stanie wykryć około jednej trzeciej błędów w czasie rzeczywistym. Chociaż wierność ich bramki dwukubitowej wynosząca 98% jest mniejsza niż w przypadku maszyny zespołu Harvard-MIT, Thompson zauważa, że ​​do napędzania bramki zużyto prawie 10 000 razy mniej mocy lasera, a zwiększenie mocy zwiększy wydajność, jednocześnie umożliwiając większa część błędów do wykrycia. Technika usuwania błędów obniża również próg korekcji błędów do poziomu poniżej 99%; w scenariuszu, w którym prawie wszystkie błędy są konwertowane na wymazywania, co zdaniem Thompsona powinno być możliwe, próg mógłby wynosić zaledwie 90%.

Kasowanie błędów multipleksowania

W powiązany wynik, naukowcy z Kalifornijskiego Instytutu Technologii w USA (Caltech) również przekonwertowali błędy na wymazania. Ich maszyna z atomami neutralnymi na bazie strontu jest bardziej ograniczonym rodzajem komputera kwantowego, znanym jako symulator kwantowy: chociaż mogą wzbudzać atomy do stanu Rydberga i tworzyć splątane superpozycje między stanami podstawowymi i Rydberga, ich system ma tylko jeden stan podstawowy, co oznacza, że ​​nie mogą długoterminowo przechowywać informacji kwantowej.

Jednak stworzyli te splątane superpozycje z niespotykaną dotąd wiernością: 99.9%. Dokonali także ogromnej superpozycji składającej się nie tylko z dwóch, ale z 26 atomów, i poprawili dokładność, usuwając niektóre błędy. „Zasadniczo pokazujemy, że można w znaczący sposób wprowadzić tę technikę do sfery wielu ciał” – mówi Adama Shawa, doktorant w Grupa Manuela Endresa w Caltechu.

Łącznie te trzy osiągnięcia ukazują możliwości komputerów kwantowych wykorzystujących atomy neutralne, a naukowcy twierdzą, że ich pomysły można połączyć w maszynę, która działa jeszcze lepiej niż te, które zademonstrowano dotychczas. „Fakt, że wszystkie te prace wyszły razem, to trochę znak, że nadchodzi coś wyjątkowego” – podsumowuje Lukin.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki