Лучшими кубитами для квантовых вычислений могут быть просто атомы | Журнал Кванта

В конце прошлого года технологический гигант IBM объявил о том, что может показаться важной вехой в квантовых вычислениях: о первом в мире чипе под названием Condor, содержащем более 1,000 квантовых битов или кубитов. Учитывая, что прошло всего два года после того, как компания представила Eagle, первый чип с более чем 100 кубитами, казалось, что эта область стремительно движется вперед. Создание квантовых компьютеров, способных решать полезные задачи, выходящие за рамки даже самых мощных сегодняшних классических суперкомпьютеров, требует еще большего их масштабирования — возможно, до многих десятков или сотен тысяч кубитов. Но это ведь всего лишь вопрос техники, верно?

Не обязательно. Проблемы масштабирования настолько велики, что некоторые исследователи считают, что для этого потребуется совершенно иное оборудование, чем микроэлектроника, используемая такими компаниями, как IBM и Google. Кубиты в процессоре Condor и чипе Sycamore от Google состоят из петель сверхпроводящего материала. Эти сверхпроводящие кубиты до сих пор были зайцем в гонке за полномасштабными квантовыми вычислениями. Но теперь сзади приближается черепаха: кубиты, состоящие из отдельных атомов.

Недавние достижения превратили эти «кубиты с нейтральным атомом» из аутсайдеров в ведущих соперников.

«За последние два-три года прогресс был более стремительным, чем в любой предыдущий такой период», — сказал физик Марк Саффман из Университета Висконсина, Мэдисон, который насчитал как минимум пять компаний, стремящихся коммерциализировать квантовые вычисления на нейтральных атомах.

Как и биты в обычных компьютерах, кубиты кодируют двоичную информацию — 1 и 0. Но в то время как бит всегда находится в том или ином состоянии, информация в кубите может оставаться неопределенной в так называемой «суперпозиции», которая придает вес обеим возможностям. Для выполнения вычислений кубиты соединяются с помощью явления, называемого квантовой запутанностью, которое делает их возможные состояния взаимозависимыми. Конкретный квантовый алгоритм может потребовать последовательности запутанностей между различными наборами кубитов, и ответ считывается в конце вычислений, когда производится измерение, сжимая каждую суперпозицию до определенного значения 1 или 0.

Идея использовать таким образом квантовые состояния нейтральных атомов для кодирования информации была предложило в начале 2000-х годов гарвардский физик Михаил Лукин и коллеги, и причислены группой под руководством Иван Дойч Университета Нью-Мексико. По словам Лукина, долгое время более широкое исследовательское сообщество соглашалось с тем, что квантовые вычисления на нейтральных атомах в принципе — отличная идея, но на практике «они просто не работают».

«Но 20 лет спустя другие подходы не завершили сделку», — сказал Саффман. «И набор навыков и методы, необходимые для работы нейтральных атомов, постепенно развиваются до такой степени, что они выглядят очень многообещающе».

Лаборатория Лукина в Гарварде была среди тех, кто продвинулся вперед. В декабре он и его коллеги переправу что они создали программируемые квантовые схемы с сотнями кубитов нейтральных атомов и выполнили с их помощью квантовые вычисления и исправление ошибок. И в этом месяце команда Калифорнийского технологического института переправу что они создали массив из 6,100 атомных кубитов. Такие результаты привлекают все больше сторонников этого подхода.

«Десять лет назад я бы не включил эти методы [нейтрального атома], если бы делал ставки на будущее квантовых вычислений», — сказал Эндрю Стейн, теоретик квантовой информации из Оксфордского университета. «Это было бы ошибкой».

Битва за кубиты

Ключевой вопрос в борьбе между типами кубитов заключается в том, как долго каждый вид кубитов сможет сохранять свою суперпозицию, прежде чем он будет изменен каким-либо случайным (например, тепловым) колебанием. Для сверхпроводящих кубитов, таких как IBM и Google, это «время когерентности» обычно составляет в лучшем случае около миллисекунды. Все этапы квантовых вычислений должны происходить в течение этого периода времени.

Одним из преимуществ кодирования информации в состояниях отдельных атомов является то, что время их когерентности обычно намного больше. Более того, в отличие от сверхпроводящих схем, все атомы данного типа идентичны, поэтому не нужны специальные системы управления для ввода и управления слегка разными квантовыми состояниями.

И хотя проводка, используемая для соединения сверхпроводящих кубитов в квантовые схемы, может стать ужасно сложной (особенно по мере масштабирования системы), в случае атомов никакая проводка не требуется. Все запутывание осуществляется с помощью лазерного света.

Это преимущество изначально представляло собой проблему. Существует хорошо развитая технология изготовления сложных микроэлектронных схем и проводов, и одна из вероятных причин, по которой IBM и Google первоначально инвестировали в сверхпроводящие кубиты, заключается не в том, что они явно были лучшими, а в том, что им требовались схемы, к которым привыкли такие компании, сказал он. Стюарт Адамс, физик из Даремского университета в Великобритании, занимающийся квантовыми вычислениями на нейтральных атомах. «Лазерная атомная оптика казалась им совершенно незнакомой. Вся инженерия совершенно другая».

Кубиты, состоящие из электрически заряженных атомов, известных как ионы, также можно контролировать с помощью света, и ионы долгое время считались лучшими кандидатами в кубиты, чем нейтральные атомы. Из-за своего заряда ионы относительно легко захватываются электрическими полями. Исследователи создали ионные ловушки, суспендируя ионы в крошечной вакуумной полости при сверхнизких температурах (чтобы избежать теплового покачивания), в то время как лазерные лучи переключают их между различными энергетическими состояниями для манипулирования информацией. Квантовые компьютеры с ионными ловушками и десятками кубитов уже были продемонстрированы, и несколько стартапов разрабатывают технологию для коммерциализации. «На данный момент система с высочайшими характеристиками с точки зрения точности, контроля и согласованности представляет собой захваченные ионы», — сказал Саффман.

Улавливать нейтральные атомы сложнее, потому что нет заряда, который можно было бы удержать. Вместо этого атомы иммобилизуются в полях интенсивного света, создаваемых лазерными лучами, называемых оптическими пинцетами. Атомы обычно предпочитают располагаться там, где световое поле наиболее интенсивно.

И вот с ионами есть проблема: все они имеют электрический заряд одного знака. Это означает, что кубиты отталкивают друг друга. Поместить множество из них в одно и то же маленькое пространство тем труднее, чем больше там ионов. С нейтральными атомами такого напряжения нет. По словам исследователей, это делает кубиты с нейтральными атомами гораздо более масштабируемыми.

Более того, захваченные ионы располагаются в ряд (или, в последнее время, в виде петли).беговая дорожка»). Такая конфигурация затрудняет запутывание одного ионного кубита с другим, находящимся, скажем, в 20 местах в ряду. «Ионные ловушки по своей сути одномерны», — сказал Адамс. «Вам нужно выстроить их в линию, и очень трудно понять, как таким образом получить тысячу кубитов».

Массивы нейтральных атомов могут представлять собой двумерную сетку, которую гораздо легче масштабировать. «Вы можете поместить в одну и ту же систему многое, и они не будут взаимодействовать, когда вы этого не захотите», — сказал Саффман. Его группа и другие захватили таким образом более 1,000 нейтральных атомов. «Мы считаем, что сможем упаковать десятки или даже сотни тысяч в устройство сантиметрового масштаба», — сказал он.

Действительно, в своей недавней работе команда из Калифорнийского технологического института создала массив оптических пинцетов, состоящий примерно из 6,100 нейтральных атомов цезия, хотя они еще не проводили с ними никаких квантовых вычислений. Эти кубиты также имели время когерентности 12.6 секунды, что на данный момент является рекордом для этого типа кубитов.

Блокада Рюдберга

Чтобы два или более кубита запутались, им необходимо взаимодействовать друг с другом. Нейтральные атомы «чувствуют» присутствие друг друга посредством так называемых сил Ван-дер-Ваальса, которые возникают из-за того, как один атом реагирует на колебания в облаке электронов в другом атоме поблизости. Но эти слабые силы ощущаются только тогда, когда атомы расположены очень близко друг к другу. Манипулировать обычными атомами с необходимой точностью с помощью световых полей просто невозможно.

Как указали Лукин и его коллеги в своем первоначальном предложении еще в 2000 году, расстояние взаимодействия может быть значительно увеличено, если мы увеличим размер самих атомов. Чем больше энергии имеет электрон, тем дальше он стремится уйти от атомного ядра. Если с помощью лазера перевести электрон в энергетическое состояние, гораздо большее, чем обычно наблюдается в атомах (так называемое состояние Ридберга в честь шведского физика Йоханнеса Ридберга, который в 1880-х годах изучал, как атомы излучают свет с дискретными длинами волн), электрон может перемещаться в тысячи раз дальше от ядра, чем обычно.

Такое увеличение размера позволяет двум атомам, находящимся на расстоянии нескольких микрометров друг от друга, что вполне осуществимо в оптических ловушках, взаимодействовать.

Чтобы реализовать квантовый алгоритм, исследователи сначала кодируют квантовую информацию в паре энергетических уровней атома, используя лазеры для переключения электронов между уровнями. Затем они запутывают состояния атомов, включая ридберговские взаимодействия между ними. Данный атом может быть возбужден до ридберговского состояния или нет, в зависимости от того, на каком из двух энергетических уровней находится его электрон — только один из них имеет нужную энергию, чтобы резонировать с частотой возбуждающего лазера. А если атом в данный момент взаимодействует с другим, то эта частота возбуждения немного смещается, так что электрон не будет резонировать со светом и не сможет совершить прыжок. Это означает, что только один или другой из пары взаимодействующих атомов может поддерживать состояние Ридберга в любой момент; их квантовые состояния коррелированы или, другими словами, запутаны. Эта так называемая блокада Ридберга, сначала предложило Лукина и его коллег в 2001 году как способ запутывания кубитов ридберговских атомов, представляет собой эффект «все или ничего»: либо есть блокада Ридберга, либо ее нет. «Блокада Ридберга делает взаимодействие между атомами цифровым», — сказал Лукин.

В конце вычислений лазеры считывают состояния атомов: если атом находится в состоянии, резонансном освещению, свет рассеивается, но если он находится в другом состоянии, рассеяния нет.

В 2004 году команда Университета Коннектикута убивают блокада Ридберга между атомами рубидия, захваченными и охлажденными до температуры всего в 100 микрокельвинов выше абсолютного нуля. Они охлаждали атомы, используя лазеры, чтобы «высасывать» тепловую энергию атомов. Этот подход означает, что, в отличие от сверхпроводящих кубитов, нейтральные атомы не требуют криогенного охлаждения и громоздких хладагентов. Поэтому эти системы можно сделать очень компактными. «Аппарат в целом имеет комнатную температуру», — сказал Саффман. «На расстоянии одного сантиметра от этих сверххолодных атомов у вас есть окно с комнатной температурой».

В 2010 году Саффман и его коллеги переправу первый логический элемент — фундаментальный элемент компьютеров, в котором один или несколько двоичных входных сигналов генерируют определенный двоичный выход — сделанный из двух атомов с использованием блокады Ридберга. Затем, что особенно важно, в 2016 году команда Лукина и исследовательские группы во Франции и Южной Корее самостоятельно разобрался как загрузить много нейтральных атомов в массивы оптических ловушек и перемещайте их по своему усмотрению. «Эта инновация вдохнула новую жизнь в эту область», — заявили Стефан Дюрр из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия, который использует ридберговские атомы для экспериментов по квантовой обработке информации с помощью света.

Большая часть работ до сих пор использует атомы рубидия и цезия, но физик Джефф Томпсон в Принстонском университете предпочитает кодировать информацию в состояниях ядерного спина атомов металлов, таких как стронций и иттербий, которые имеют еще большее время когерентности. В октябре прошлого года Томпсон и его коллеги переправу двухкубитные логические элементы, сделанные из этих систем.

И блокады Ридберга не обязательно должны осуществляться между одинокими атомами. Прошлым летом Адамс и его коллеги показал что они могли создать блокаду Ридберга между атомом и захваченной молекулой, которую они создали искусственно, используя оптический пинцет, чтобы притянуть атом цезия к атому рубидия. Преимущество гибридных атомно-молекулярных систем заключается в том, что атомы и молекулы имеют очень разные энергии, что может облегчить манипулирование одними, не затрагивая другие. Более того, молекулярные кубиты могут иметь очень долгое время когерентности. Адамс подчеркивает, что такие гибридные системы отстают от полноатомных систем как минимум на 10 лет, а запутанность двух таких кубитов еще не достигнута. «Гибридные системы действительно сложны, — сказал Томпсон, — но в какой-то момент нам, вероятно, придется их реализовать».

Высокоточные кубиты

Ни один кубит не идеален: все могут вызывать ошибки. И если они остаются незамеченными и неисправленными, они искажают результат вычислений.

Но большим препятствием для всех квантовых вычислений является то, что ошибки не могут быть идентифицированы и исправлены так, как это происходит в классических компьютерах, где алгоритм просто отслеживает, в каком состоянии находятся биты, создавая копии. Ключом к квантовым вычислениям является то, что состояния кубитов остаются неопределенными до тех пор, пока не будет считан окончательный результат. Если вы попытаетесь измерить эти состояния до этого момента, вы прекратите вычисление. Как же тогда защитить кубиты от ошибок, которые мы даже не можем отслеживать?

Один из ответов — распределить информацию по множеству физических кубитов, составляющих один «логический кубит», чтобы ошибка в одном из них не искажала информацию, которую они коллективно кодируют. Это становится практичным только в том случае, если количество физических кубитов, необходимых для каждого логического кубита, не слишком велико. Эти накладные расходы частично зависят от того, какой алгоритм исправления ошибок используется.

Логические кубиты с исправлением ошибок были продемонстрированы на примере сверхпроводящих кубитов и кубитов с захваченными ионами, но до недавнего времени не было ясно, можно ли их создать из нейтральных атомов. Ситуация изменилась в декабре, когда команда из Гарварда представила массивы из нескольких сотен захваченных атомов рубидия и запустила алгоритмы на 48 логических кубитах, каждый из которых состоит из семи или восьми физических атомов. Исследователи использовали систему для выполнения простой логической операции, называемой управляемым вентилем НЕ, в которой состояния 1 и 0 кубита меняются местами или остаются неизменными в зависимости от состояния второго «управляющего» кубита. Для проведения вычислений исследователи перемещали атомы между тремя отдельными областями в камере-ловушке: массивом атомов, областью взаимодействия (или «зоной ворот»), куда определенные атомы перетаскивались и запутывались с помощью блокады Ридберга, и зоной считывания. . По словам Адамса, все это стало возможным, потому что «система Ридберга предлагает вам всю эту возможность перетасовывать кубиты и решать, кто с кем взаимодействует, что дает вам гибкость, которой нет у сверхпроводящих кубитов».

Команда из Гарварда продемонстрировала методы исправления ошибок для некоторых простых алгоритмов логических кубитов, хотя для самых крупных алгоритмов с 48 логическими кубитами им удалось лишь обнаружить ошибки. По словам Томпсона, эти последние эксперименты показали, что «они могут преимущественно отклонять результаты измерений с ошибками и, следовательно, идентифицировать подмножество результатов с меньшими ошибками». Этот подход называется пост-отбором, и хотя он может сыграть роль в квантовой коррекции ошибок, сам по себе он не решает проблему.

Атомы Ридберга могут быть пригодны для создания новых кодов, исправляющих ошибки. Тот, который использовался в Гарвардской работе и называется поверхностным кодом, «очень популярен, но в то же время очень неэффективен», сказал Саффман; для создания одного логического кубита обычно требуется множество физических кубитов. Другие, более эффективные предлагаемые коды с исправлением ошибок требуют более дальнего взаимодействия между кубитами, а не только пар ближайших соседей. Практики квантовых вычислений на нейтральных атомах считают, что дальнодействующие ридберговские взаимодействия должны справиться с этой задачей. «Я чрезвычайно оптимистичен в отношении того, что эксперименты в течение следующих двух-трех лет покажут нам, что накладные расходы не обязательно будут такими большими, как думают люди», — сказал Лукин.

Хотя еще многое предстоит сделать, Стейн считает работу в Гарварде «шаговым изменением в степени реализации протоколов исправления ошибок в лаборатории».

Откручивание

Подобные достижения привели к тому, что кубиты на основе ридберговских атомов сравнялись со своими конкурентами. «Сочетание высокоточных вентилей, большого количества кубитов, высокоточных измерений и гибкой связи позволяет нам рассматривать матрицу ридберговских атомов как реального конкурента сверхпроводящим кубитам и кубитам с захваченными ионами», — сказал Стейн.

По сравнению со сверхпроводящими кубитами, эта технология обходится гораздо дешевле. У Гарвардской группы есть дочерняя компания под названием КуЭра, которая уже создала 256-кубитный квантовый процессор Ридберга под названием Орел — аналоговый «квантовый симулятор», который может моделировать системы многих квантовых частиц — доступно в облаке в партнерстве с платформой квантовых вычислений Amazon Braket. QuEra также работает над улучшением квантовой коррекции ошибок.

Саффман присоединился к компании под названием Интонация, которая разрабатывает оптическую платформу нейтральных атомов для квантовых датчиков и коммуникаций, а также квантовых вычислений. «Я не удивлюсь, если одна из крупных ИТ-компаний вскоре вступит в какое-то партнерство с одним из этих дочерних предприятий», — сказал Адамс.

«Масштабируемая коррекция ошибок с помощью кубитов с нейтральными атомами определенно возможна», — сказал Томпсон. «Я думаю, что 10,000 XNUMX кубитов с нейтральными атомами вполне возможны в течение нескольких лет». Помимо этого, он считает, что практические ограничения мощности и разрешения лазера потребуют модульные конструкции в котором несколько отдельных массивов атомов связаны вместе.

Если это произойдет, кто знает, что из этого выйдет? «Мы пока даже не знаем, что мы можем сделать с помощью квантовых вычислений», — сказал Лукин. «Я очень надеюсь, что эти новые достижения помогут нам ответить на эти вопросы».