Cei mai buni Qubits pentru calculul cuantic ar putea fi doar atomi | Revista Quanta

La sfârșitul anului trecut, gigantul tehnologic IBM a anunțat ceea ce ar putea suna ca o piatră de hotar în calculul cuantic: primul cip, numit Condor, cu peste 1,000 de biți cuantici sau qubiți. Având în vedere că acest lucru a fost la doar doi ani după ce compania a dezvăluit Eagle, primul cip cu mai mult de 100 de qubiți, părea că terenul mergea înainte. Realizarea de calculatoare cuantice care pot rezolva probleme utile dincolo de sfera chiar și de cele mai puternice dintre supercalculatoarele clasice de astăzi necesită extinderea lor și mai mult - la probabil multe zeci sau sute de mii de qubiți. Dar asta e cu siguranță doar o chestiune de inginerie, nu?

Nu neaparat. Provocările extinderii sunt atât de mari încât unii cercetători cred că va necesita hardware total diferit de microelectronica folosită de IBM și Google. Qubiții din Condor și din cipul Sycamore de la Google sunt fabricați din bucle de material supraconductor. Acești qubiți supraconductori au fost până acum iepurele în cursa către calculul cuantic la scară completă. Dar acum vine o broască țestoasă din spate: qubiți formați din atomi individuali.

Progresele recente au transformat acești „qubiți cu atom neutru” din străini în concurenți de frunte.

„Ultimii doi sau trei ani au înregistrat progrese mai rapide decât orice altă perioadă anterioară”, a spus fizicianul Mark Saffman de la Universitatea din Wisconsin, Madison, care a numărat cel puțin cinci companii care se întrec pentru a comercializa calculul cuantic cu atomi neutri.

La fel ca biții din computerele obișnuite, qubiții codifică informații binare - 1 și 0. Dar, în timp ce un bit este întotdeauna într-o stare sau alta, informația dintr-un qubit poate fi lăsată nedeterminată, într-o așa-numită „suprapunere” care dă greutate ambelor posibilități. Pentru a efectua un calcul, qubiții sunt legați folosind fenomenul numit întanglement cuantic, care face posibilele lor stări interdependente. Un anumit algoritm cuantic ar putea solicita o succesiune de încurcături între diferite seturi de qubiți, iar răspunsul este citit la sfârșitul calculului când se face o măsurătoare, prăbușind fiecare suprapunere la un 1 sau 0 definit.

Ideea de a folosi stările cuantice ale atomilor neutri pentru codificarea informațiilor în acest fel a fost propus la începutul anilor 2000 de către fizicianul de la Harvard Mikhail Lukin și colegii și de asemenea de un grup condus de Ivan Deutsch de la Universitatea din New Mexico. Pentru o lungă perioadă de timp, comunitatea de cercetare mai largă a fost de acord că calculul cuantic cu atom neutru a fost o idee grozavă în principiu, a spus Lukin, dar că „pur și simplu nu funcționează” în practică.

„Dar 20 de ani mai târziu, celelalte abordări nu au încheiat afacerea”, a spus Saffman. „Și setul de abilități și tehnicile necesare pentru ca atomii neutri să funcționeze au evoluat treptat până la punctul în care par foarte promițători.”

Laboratorul lui Lukin de la Harvard a fost printre cei care au condus drumul. În decembrie, el și colegii săi raportate că au creat circuite cuantice programabile cu sute de qubiți cu atom neutru și au efectuat calcule cuantice și corectarea erorilor cu ei. Și luna aceasta, o echipă de la Institutul de Tehnologie din California raportate că au făcut o matrice de 6,100 de qubiți atomici. Astfel de rezultate atrag din ce în ce mai multe persoane care conversează la această abordare.

„Acum zece ani nu aș fi inclus aceste metode [atomilor neutri] dacă aș fi acoperit pariurile pe viitorul calculului cuantic”, a spus Andrew Steane, un teoretician al informației cuantice la Universitatea din Oxford. „Ar fi fost o greșeală.”

Bătălia de la Qubits

O problemă cheie în concursul dintre tipurile de qubit este cât timp fiecare tip de qubit își poate menține suprapunerea înainte de a fi alterat de o fluctuație aleatoare (de exemplu, termică). Pentru qubiții supraconductori precum IBM și Google, acest „timp de coerență” este de obicei de aproximativ o milisecundă în cel mai bun caz. Toți pașii unui calcul cuantic trebuie să aibă loc în acel interval de timp.

Un avantaj al codificării informațiilor în stările atomilor individuali este că timpii lor de coerență sunt de obicei mult mai lungi. În plus, spre deosebire de circuitele supraconductoare, atomii de un anumit tip sunt toți identici, așa că nu sunt necesare sisteme de control personalizate pentru a introduce și a manipula stări cuantice subtil diferite.

Și în timp ce cablajul folosit pentru a conecta qubiții supraconductori în circuite cuantice poate deveni oribil de complicat - cu atât mai mult cu cât sistemul crește - nu este nevoie de cablare în cazul atomilor. Toată încurcarea se face folosind lumină laser.

Acest beneficiu a reprezentat inițial o provocare. Există o tehnologie bine dezvoltată pentru a realiza circuite și fire microelectronice complicate, iar un motiv probabil pentru care IBM și Google au investit inițial în qubiți supraconductori nu este pentru că aceștia erau în mod evident cei mai buni, ci pentru că necesitau tipul de circuite cu care sunt obișnuite astfel de companii, a spus. Stuart Adams, un fizician la Universitatea Durham din Regatul Unit care lucrează la calculul cuantic cu atom neutru. „Optica atomică bazată pe laser le părea total necunoscută. Toată ingineria este complet diferită.”

Qubiții formați din atomi încărcați electric - cunoscuți sub numele de ioni - pot fi, de asemenea, controlați cu lumină, iar ionii au fost mult timp considerați candidați mai buni qubit decât atomii neutri. Datorită încărcării lor, ionii sunt relativ ușor de prins în câmpuri electrice. Cercetătorii au creat capcane de ioni prin suspendarea ionilor într-o cavitate mică de vid la temperaturi ultra-scăzute (pentru a evita vibrațiile termice), în timp ce fasciculele laser le comută între diferite stări de energie pentru a manipula informațiile. Acum au fost demonstrate computere cuantice cu capcană de ioni cu zeci de qubiți, iar mai multe startup-uri dezvoltă tehnologia pentru comercializare. „Până acum, sistemul cu cele mai înalte performanțe în ceea ce privește fidelitatea, controlul și coerența a fost ioni prinși”, a spus Saffman.

Prinderea atomilor neutri este mai dificilă, deoarece nu există nicio sarcină de care să ții. În schimb, atomii sunt imobilizați în câmpuri de lumină intensă create de fascicule laser, numite pensete optice. Atomii preferă de obicei să stea acolo unde câmpul luminos este cel mai intens.

Și există o problemă cu ionii: toți au o sarcină electrică de același semn. Asta înseamnă că qubiții se resping unul pe altul. Blocarea multor dintre ele în același spațiu mic devine mai greu cu cât sunt mai mulți ioni. Cu atomi neutri, nu există o astfel de tensiune. Acest lucru, spun cercetătorii, face qubiții cu atom neutru mult mai scalabili.

În plus, ionii prinși sunt aranjați pe rând (sau, recent, o buclă „pistă de curse”). Această configurație face dificilă încurcarea unui qubit ionic cu altul, de exemplu, 20 de locuri de-a lungul rândului. „Capcanele de ioni sunt în mod inerent unidimensionale”, a spus Adams. „Trebuie să le aranjezi într-o linie și este foarte greu să vezi cum ajungi la o mie de qubiți în acest fel.”

Matricele de atomi neutri pot fi o grilă bidimensională, care este mult mai ușor de extins. „Puteți pune multe în același sistem și nu interacționează atunci când nu doriți”, a spus Saffman. Grupul lui și alții au prins peste 1,000 de atomi neutri în acest fel. „Credem că putem împacheta zeci sau chiar sute de mii într-un dispozitiv la scară centimetrică”, a spus el.

Într-adevăr, în munca lor recentă, echipa de la Caltech a creat o matrice de pensete optice de aproximativ 6,100 de atomi neutri de cesiu, deși nu au efectuat încă niciun calcul cuantic cu ei. Acești qubiți au avut, de asemenea, timpi de coerență de 12.6 secunde, un record până acum pentru acest tip de qubit.

Blocada Rydberg

Pentru ca doi sau mai mulți qubiți să se încurce, ei trebuie să interacționeze unul cu celălalt. Atomii neutri „simt” prezența reciproc prin așa-numitele forțe van der Waals, care apar din modul în care un atom răspunde la fluctuațiile din norul de electroni dintr-un alt atom din apropiere. Dar aceste forțe slabe sunt resimțite doar atunci când atomii sunt extrem de apropiați. Manipularea atomilor normali cu precizia necesară folosind câmpuri luminoase pur și simplu nu se poate face.

După cum au subliniat Lukin și colegii săi în propunerea lor inițială din 2000, distanța de interacțiune poate fi crescută dramatic dacă creștem dimensiunea atomilor înșiși. Cu cât un electron are mai multă energie, cu atât tinde să se îndepărteze de nucleul atomic. Dacă un laser este folosit pentru a pompa un electron într-o stare de energie mult mai mare decât cea care se găsește de obicei în atomi - numită stare Rydberg după fizicianul suedez Johannes Rydberg, care în anii 1880 a studiat modul în care atomii emit lumină la lungimi de undă discrete - electronul poate rătăci de mii de ori mai departe de nucleu decât de obicei.

Această creștere a dimensiunii permite a doi atomi ținuți la câțiva micrometri distanță - perfect fezabil în capcane optice - să interacționeze.

Pentru a implementa un algoritm cuantic, cercetătorii codifică mai întâi informațiile cuantice într-o pereche de niveluri de energie atomică, folosind lasere pentru a comuta electronii între niveluri. Apoi, ei încurcă stările atomilor pornind interacțiunile Rydberg dintre ei. Un anumit atom poate fi excitat într-o stare Rydberg sau nu, în funcție de care dintre cele două niveluri de energie se află electronul său - doar unul dintre aceștia se află la energia potrivită pentru a rezona cu frecvența laserului de excitare. Și dacă atomul interacționează în prezent cu altul, această frecvență de excitație se schimbă ușor, astfel încât electronul să nu rezoneze cu lumina și să nu poată face saltul. Aceasta înseamnă că doar unul sau altul dintr-o pereche de atomi care interacționează poate susține o stare Rydberg în orice moment; stările lor cuantice sunt corelate – sau cu alte cuvinte, încurcate. Această așa-numită blocada Rydberg, mai întâi propus de Lukin și colegii lui în 2001, ca o modalitate de a încurca qubiții Rydberg-atomi, este un efect de totul sau nimic: fie există o blocada Rydberg, fie nu există. „Blocada Rydberg face interacțiunile dintre atomi digitale”, a spus Lukin.

La sfârșitul calculului, laserele citesc stările atomilor: dacă un atom este în starea care rezonează cu iluminarea, lumina este împrăștiată, dar dacă este în cealaltă stare, nu există împrăștiere.

În 2004, o echipă de la Universitatea din Connecticut demonstrat o blocare Rydberg între atomii de rubidiu, prinși și răcit la doar 100 de microkelvin peste zero absolut. Ei au răcit atomii folosind lasere pentru a „aspira” energia termică a atomilor. Abordarea înseamnă că, spre deosebire de qubiții supraconductori, atomii neutri nu necesită răcire criogenică și nici agenți frigorifici greoi. Prin urmare, aceste sisteme pot fi făcute foarte compacte. „Aparatul în ansamblu este la temperatura camerei”, a spus Saffman. „La un centimetru distanță de acești atomi super reci, ai o fereastră la temperatura camerei.”

În 2010, Saffman și colegii săi raportate prima poartă logică - un element fundamental al computerelor, în care unul sau mai multe semnale binare de intrare generează o anumită ieșire binară - realizată din doi atomi folosind blocada Rydberg. Apoi, în mod crucial, în 2016, echipa lui Lukin și grupurile de cercetare din Franța și din Coreea de Sud toate independent mi-am dat seama Cum să încărcați mulți atomi neutri în rețele de capcane optice și mutați-le după bunul plac. „Această inovație a adus o nouă viață domeniului”, a spus Stephan Dürr de la Institutul de Optică Cuantică Max Planck din Garching, Germania, care folosește atomi Rydberg pentru experimente de procesare a informațiilor cuantice bazate pe lumină.

O mare parte din lucrarea de până acum folosește atomi de rubidiu și cesiu, dar fizicianul Jeff Thompson de la Universitatea Princeton preferă codificarea informațiilor în stările de spin nuclear ale atomilor de metal, cum ar fi stronțiul și iterbiul, care au timpi de coerență și mai mari. În octombrie anul trecut, Thompson și colegii raportate porți logice de doi qubiți realizate din aceste sisteme.

Și blocadele Rydberg nu trebuie să fie între atomi singuri. Vara trecută, Adams și colegii săi a arătat că ar putea crea o blocare Rydberg între un atom și o moleculă prinsă, pe care au făcut-o artificial folosind pensete optice pentru a trage un atom de cesiu lângă un atom de rubidiu. Avantajul sistemelor hibride atom-moleculă este că atomii și moleculele au energii foarte diferite, ceea ce ar putea face mai ușoară manipularea unuia fără a-i afecta pe alții. În plus, qubiții moleculari pot avea timpi de coerență foarte lungi. Adams subliniază că astfel de sisteme hibride sunt cu cel puțin 10 ani în urmă cu sistemele cu atomi, iar încrucișarea a doi astfel de qubiți nu a fost încă realizată. „Sistemele hibride sunt foarte grele”, a spus Thompson, „dar probabil vom fi forțați să le facem la un moment dat.”

Qubits de înaltă fidelitate

Niciun qubit nu este perfect: toate pot provoca erori. Și dacă acestea rămân nedetectate și necorectate, ele amestecă rezultatul calculului.

Dar un mare obstacol în calea tuturor calculelor cuantice este că erorile nu pot fi identificate și corectate așa cum sunt pentru computerele clasice, unde un algoritm pur și simplu ține evidența stărilor în care se află biții făcând copii. Cheia calculului cuantic este că stările qubiților sunt lăsate nedeterminate până când rezultatul final este citit. Dacă încercați să măsurați acele stări înainte de acel punct, terminați calculul. Cum, atunci, pot fi protejați qubiții de erori pe care nici măcar nu le putem monitoriza?

Un răspuns este să răspândești informațiile pe mai mulți qubiți fizici - constituind un singur „qubit logic” - astfel încât o eroare în unul dintre ei să nu corupă informațiile pe care le codifică în mod colectiv. Acest lucru devine practic doar dacă numărul de qubiți fizici necesari pentru fiecare qubit logic nu este prea mare. Această suprasarcină depinde parțial de algoritmul de corectare a erorilor utilizat.

Qubiții logici corectați cu erori au fost demonstrati cu qubiți supraconductori și cu ioni prinși, dar până de curând nu a fost clar dacă pot fi formați din atomi neutri. Acest lucru s-a schimbat în decembrie, când echipa Harvard a dezvăluit rețele de câteva sute de atomi de rubidiu prinși și a rulat algoritmi pe 48 de qubiți logici, fiecare format din șapte sau opt atomi fizici. Cercetătorii au folosit sistemul pentru a efectua o operațiune logică simplă numită poartă NOT controlată, în care stările 1 și 0 ale qubitului sunt inversate sau lăsate neschimbate în funcție de starea unui al doilea qubit „de control”. Pentru a efectua calculele, cercetătorii au mutat atomii între trei regiuni distincte din camera de captare: o serie de atomi, o regiune de interacțiune (sau „zonă de poartă”) unde anumiți atomi au fost târâți și încurși folosind blocada Rydberg și o zonă de citire. . Totul este posibil, a spus Adams, pentru că „sistemul Rydberg vă oferă toată această capacitate de a amesteca qubiții și de a decide cine interacționează cu cine, ceea ce vă oferă o flexibilitate pe care nu o au qubiții supraconductori”.

Echipa Harvard a demonstrat tehnici de corectare a erorilor pentru unii algoritmi simpli de qubit logic, deși pentru cei mai mari, cu 48 de qubiți logici, au realizat doar detectarea erorilor. Potrivit lui Thompson, aceste din urmă experimente au arătat că „pot respinge de preferință rezultatele măsurătorilor cu erori și, prin urmare, pot identifica un subset de rezultate cu erori mai mici”. Această abordare se numește post-selecție și, deși poate juca un rol în corectarea erorilor cuantice, nu rezolvă singur problema.

Atomii Rydberg s-ar putea preta la noi coduri de corectare a erorilor. Cel folosit în lucrarea de la Harvard, numit codul de suprafață, „este foarte popular, dar și foarte ineficient”, a spus Saffman; tinde să necesite mulți qubiți fizici pentru a face un qubit logic. Alte coduri de corectare a erorilor propuse, mai eficiente, necesită interacțiuni pe o rază mai lungă de acțiune între qubiți, nu doar perechi cu cel mai apropiat vecin. Practicanții calculului cuantic cu atom neutru cred că interacțiunile Rydberg pe rază lungă ar trebui să fie la înălțime. „Sunt extrem de optimist că experimentele din următorii doi-trei ani ne vor arăta că cheltuielile generale nu trebuie să fie atât de proaste pe cât credeau oamenii”, a spus Lukin.

Deși mai sunt încă de făcut, Steane consideră că lucrarea de la Harvard „o schimbare de pas în gradul în care protocoalele de corectare a erorilor au fost realizate în laborator”.

Învârtire

Avansuri ca acestea fac ca qubiti Rydberg-atom deseneze chiar și cu concurenții lor. „Combinația de porți de înaltă fidelitate, număr mare de qubiți, măsurători de înaltă precizie și conectivitate flexibilă ne permite să considerăm matricea de atomi Rydberg ca un concurent real al qubiților supraconductori și cu ioni prinși”, a spus Steane.

În comparație cu qubiții supraconductori, tehnologia are o fracțiune din costul investiției. Grupul Harvard are o companie spin-off numită QuEra, care a făcut deja un procesor cuantic Rydberg de 256 de qubiți numit Aquila — un „simulator cuantic” analog, care poate rula simulări ale sisteme de multe particule cuantice — disponibil pe cloud în parteneriat cu platforma de calcul cuantic Braket de la Amazon. QuEra lucrează, de asemenea, pentru a avansa corectarea erorilor cuantice.

Saffman sa alăturat unei companii numite Inflexiune, care dezvoltă platforma optică cu atom neutru pentru senzori și comunicații cuantice, precum și pentru calculul cuantic. „Nu aș fi surprins dacă una dintre marile companii IT intră în curând într-un fel de parteneriat cu una dintre aceste spinoff”, a spus Adams.

„Corectarea erorilor scalabile cu qubiți cu atom neutru este cu siguranță posibilă”, a spus Thompson. „Cred că 10,000 de qubiți cu atom neutru sunt în mod clar posibili în câțiva ani.” Dincolo de asta, el crede că vor fi necesare limitări practice ale puterii și rezoluției laserului proiecte modulare în care mai multe rețele de atomi distincte sunt legate între ele.

Dacă se întâmplă asta, cine știe ce va urma? „Nici nu știm încă ce putem face cu calculul cuantic”, a spus Lukin. „Sper cu adevărat că aceste noi progrese ne vor ajuta să răspundem la aceste întrebări.”