Najboljši kubiti za kvantno računalništvo so lahko le atomi | Revija Quanta

Konec lanskega leta je tehnološki velikan IBM napovedal, kar se morda sliši kot mejnik v kvantnem računalništvu: prvi čip, imenovan Condor, z več kot 1,000 kvantnimi biti ali kubiti. Glede na to, da je bilo to komaj dve leti po tem, ko je podjetje predstavilo Eagle, prvi čip z več kot 100 kubiti, je bilo videti, kot da polje drvi naprej. Izdelava kvantnih računalnikov, ki lahko rešujejo uporabne probleme, ki presegajo obseg celo najmočnejših današnjih klasičnih superračunalnikov, zahteva njihovo še večje povečanje - morda na več deset ali sto tisoč kubitov. Ampak to je zagotovo le stvar inženiringa, kajne?

Ni nujno. Izzivi povečanja so tako veliki, da nekateri raziskovalci menijo, da bo zahtevala popolnoma drugačno strojno opremo od mikroelektronike, ki jo uporabljata IBM in Google. Kubiti v Condorju in Googlovem čipu Sycamore so narejeni iz zank superprevodnega materiala. Ti superprevodni kubiti so bili do zdaj glavni zajec v tekmi za kvantno računalništvo v polnem obsegu. Zdaj pa od zadaj prihaja želva: kubiti, narejeni iz posameznih atomov.

Nedavni napredek je te "kubite nevtralnega atoma" spremenil iz zunanjih v vodilne tekmece.

»V zadnjih dveh ali treh letih smo opazili hitrejši napredek kot v katerem koli prejšnjem takem obdobju,« je dejal fizik Mark Saffman z Univerze Wisconsin v Madisonu, ki je naštel vsaj pet podjetij, ki tekmujejo za komercializacijo kvantnega računalništva z nevtralnimi atomi.

Tako kot biti v navadnih računalnikih tudi kubiti kodirajo binarne informacije — 1 in 0. Toda medtem ko je bit vedno v enem ali drugem stanju, lahko informacije v kubitu ostanejo nedoločene, v tako imenovani "superpoziciji", ki daje težo obema možnostima. Za izvedbo izračuna so kubiti povezani s pojavom, imenovanim kvantna prepletenost, zaradi česar so njihova možna stanja soodvisna. Določen kvantni algoritem lahko zahteva zaporedje zapletov med različnimi nizi kubitov, odgovor pa se prebere na koncu izračuna, ko se opravi meritev, pri čemer se vsaka superpozicija strne na določeno 1 ali 0.

Zamisel o uporabi kvantnih stanj nevtralnih atomov za kodiranje informacij na ta način je bila predlagano v začetku leta 2000 s strani fizika s Harvarda Mihail Lukin in kolegi, ter Prav tako s skupino pod vodstvom Ivan Deutsch Univerze v Novi Mehiki. Dolgo časa se je širša raziskovalna skupnost strinjala, da je kvantno računalništvo z nevtralnimi atomi načeloma odlična ideja, je dejal Lukin, a da v praksi "preprosto ne deluje".

"Toda 20 let pozneje drugi pristopi niso sklenili posla," je dejal Saffman. "In spretnosti in tehnike, potrebne za delovanje nevtralnih atomov, so se postopoma razvijale do točke, ko so videti zelo obetavne."

Lukinov laboratorij na Harvardu je bil med vodilnimi. Decembra se je s sodelavci poročali da so ustvarili programabilna kvantna vezja s stotinami kubitov nevtralnih atomov in z njimi izvedli kvantne izračune in popravljanje napak. In ta mesec ekipa na Kalifornijskem inštitutu za tehnologijo poročali da so naredili niz 6,100 atomskih kubitov. Takšni rezultati so vedno bolj zmagoviti spreobrnjenci k temu pristopu.

"Pred desetimi leti ne bi vključil teh [nevtralnih atomskih] metod, če bi varoval stave glede prihodnosti kvantnega računalništva," je dejal Andrew Steane, teoretik kvantne informacije na Univerzi v Oxfordu. "To bi bila napaka."

Bitka pri Qubitih

Ključno vprašanje v tekmovanju med vrstami kubitov je, kako dolgo lahko vsaka vrsta kubita ohrani svojo superpozicijo, preden jo spremeni naključno (na primer toplotno) nihanje. Za superprevodne kubite, kot sta IBM-ov in Googlov, je ta "koherenčni čas" običajno v najboljšem primeru okoli milisekunde. Vsi koraki kvantnega računanja se morajo zgoditi v tem časovnem okviru.

Ena od prednosti kodiranja informacij v stanju posameznih atomov je, da so njihovi koherenčni časi običajno veliko daljši. Poleg tega so za razliko od superprevodnih vezij vsi atomi dane vrste identični, zato za vnos in manipulacijo subtilno različnih kvantnih stanj niso potrebni nadzorni sistemi po meri.

In medtem ko lahko ožičenje, ki se uporablja za povezovanje superprevodnih kubitov v kvantna vezja, postane strašno zapleteno – bolj ko se sistem povečuje – v primeru atomov ožičenje ni potrebno. Vse zapletanje poteka z lasersko svetlobo.

Ta ugodnost je na začetku predstavljala izziv. Obstaja dobro razvita tehnologija za izrezovanje zapletenih mikroelektronskih vezij in žic in eden od verjetnih razlogov, zakaj sta IBM in Google sprva vlagala v superprevodne kubite, ni zato, ker so bili očitno najboljši, temveč zato, ker so zahtevali vrsto vezja, ki so ga taka podjetja vajena, je dejal Stuart Adams, fizik na univerzi Durham v Združenem kraljestvu, ki se ukvarja s kvantnim računalništvom z nevtralnimi atomi. »Laserska atomska optika jim je bila videti popolnoma neznana. Ves inženiring je popolnoma drugačen.”

Kubite iz električno nabitih atomov - znane kot ione - je mogoče nadzorovati tudi s svetlobo, ioni pa so dolgo veljali za boljše kandidate za kubite kot nevtralni atomi. Ione je zaradi njihovega naboja relativno enostavno ujeti v električna polja. Raziskovalci so ustvarili ionske pasti tako, da so ione suspendirali v majhni vakuumski votlini pri ultranizkih temperaturah (da bi se izognili termičnemu nihanju), medtem ko jih laserski žarki preklapljajo med različnimi energijskimi stanji, da manipulirajo z informacijami. Predstavljeni so bili kvantni računalniki z ionsko pastjo z več desetimi kubiti in več zagonskih podjetij razvija tehnologijo za komercializacijo. "Doslej so bili sistem z najvišjo zmogljivostjo v smislu zvestobe, nadzora in koherence ujeti ioni," je dejal Saffman.

Ujeti nevtralne atome je težje, ker ni naboja, ki bi ga lahko zadržali. Namesto tega so atomi imobilizirani v poljih intenzivne svetlobe, ki jih ustvarjajo laserski žarki, imenovani optične pincete. Atomi običajno raje sedijo tam, kjer je svetlobno polje najbolj intenzivno.

In tu je problem z ioni: vsi imajo električni naboj istega predznaka. To pomeni, da se kubiti odbijajo. Zatikanje velikega števila njih v isti majhen prostor postaja težje, čim več je ionov. Pri nevtralnih atomih ni te napetosti. Raziskovalci pravijo, da zaradi tega kubiti z nevtralnimi atomi postanejo veliko bolj razširljivi.

Še več, ujeti ioni so razporejeni v vrsti (ali v zadnjem času v zanki).dirkališče«). Ta konfiguracija otežuje zapletanje enega ionskega kubita z drugim, ki je na primer 20 mestih vzdolž vrstice. "Ionske pasti so same po sebi enodimenzionalne," je dejal Adams. "Morate jih razvrstiti v vrsto in zelo težko je videti, kako na ta način pridete do tisoč kubitov."

Nizi nevtralnih atomov so lahko dvodimenzionalna mreža, ki jo je veliko lažje povečati. »V isti sistem lahko daste veliko in ne sodelujejo, ko tega ne želite,« je dejal Saffman. Njegova skupina in drugi so na ta način ujeli več kot 1,000 nevtralnih atomov. "Verjamemo, da jih lahko zapakiramo na desetine ali celo stotisoče v centimetrsko napravo," je dejal.

Dejansko je ekipa pri Caltechu v svojem nedavnem delu ustvarila niz optičnih pincet s približno 6,100 nevtralnimi atomi cezija, čeprav z njimi še niso izvedli nobenih kvantnih izračunov. Ti kubiti so imeli tudi koherenčne čase neverjetnih 12.6 sekunde, kar je doslej rekord za to vrsto kubitov.

Rydbergova blokada

Da se dva ali več kubitov zaplete, morajo medsebojno delovati. Nevtralni atomi »čutijo« prisotnost drug drugega prek tako imenovanih van der Waalsovih sil, ki izhajajo iz načina, kako se en atom odziva na nihanja v oblaku elektronov v drugem atomu v bližini. Toda te šibke sile čutimo le, ko so atomi izjemno blizu drug drugemu. Z uporabo svetlobnih polj preprosto ni mogoče manipulirati z običajnimi atomi do zahtevane natančnosti.

Kot so Lukin in njegovi kolegi poudarili v svojem prvotnem predlogu leta 2000, se lahko interakcijska razdalja dramatično poveča, če povečamo velikost samih atomov. Več kot ima elektron energije, dlje roma od atomskega jedra. Če laser uporabimo za črpanje elektrona v energijsko stanje, ki je veliko večje od tistega, ki ga običajno najdemo v atomih – imenovano Rydbergovo stanje po švedskem fiziku Johannesu Rydbergu, ki je v 1880-ih proučeval, kako atomi oddajajo svetlobo pri diskretnih valovnih dolžinah –, elektron lahko potuje tisočkrat dlje od jedra kot običajno.

To povečanje velikosti omogoča medsebojno delovanje dveh atomov, ki sta narazen nekaj mikrometrov — kar je popolnoma izvedljivo v optičnih pasteh.

Za implementacijo kvantnega algoritma raziskovalci najprej kodirajo kvantne informacije v par atomskih energijskih nivojev z uporabo laserjev za preklapljanje elektronov med nivoji. Nato zapletejo stanja atomov tako, da med njimi vklopijo Rydbergove interakcije. Dani atom je lahko vzburjen v Rydbergovo stanje ali ne, odvisno od tega, na katerem od dveh energijskih nivojev je njegov elektron - samo eden od teh sedi na pravi energiji, da resonira s frekvenco vzbujalnega laserja. In če je atom trenutno v interakciji z drugim atomom, se ta frekvenca vzbujanja rahlo premakne, tako da elektron ne bo resoniral s svetlobo in ne bo mogel narediti skoka. To pomeni, da lahko le eden ali drugi od para medsebojno delujočih atomov kadar koli vzdržuje Rydbergovo stanje; njihova kvantna stanja so korelirana - ali z drugimi besedami, zapletena. Najprej ta tako imenovana Rydbergova blokada predlagano Lukin in sodelavci leta 2001 kot način zapletanja Rydbergovih atomskih kubitov je učinek vse ali nič: Rydbergova blokada obstaja ali pa je ni. "Rydbergova blokada naredi interakcije med atomi digitalne," je dejal Lukin.

Na koncu izračuna laserji preberejo stanja atomov: če je atom v stanju, ki je resonančno z osvetlitvijo, je svetloba razpršena, če pa je v drugem stanju, sipanja ni.

Leta 2004 je ekipa na Univerzi v Connecticutu Dokazano Rydbergova blokada med atomi rubidija, ujeti in ohlajeni na samo 100 mikrokelvinov nad absolutno ničlo. Atome so ohladili z uporabo laserjev, s katerimi so atomom »izsesali« toplotno energijo. Pristop pomeni, da za razliko od superprevodnih kubitov nevtralni atomi ne potrebujejo kriogenega hlajenja in okornih hladilnih sredstev. Te sisteme je torej mogoče narediti zelo kompaktne. "Aparat kot celota je na sobni temperaturi," je dejal Saffman. "En centimeter stran od teh super hladnih atomov imate okno sobne temperature."

Leta 2010 Saffman in njegovi sodelavci poročali prva logična vrata - temeljni element računalnikov, v katerem eden ali več binarnih vhodnih signalov ustvari določen binarni izhod - izdelana iz dveh atomov z uporabo Rydbergove blokade. Potem, ključnega pomena, leta 2016 so Lukinova ekipa in raziskovalne skupine v Franciji in Južni Koreji vse neodvisno ugotovljeno kako naloži veliko nevtralnih atomov v nize optičnih pasti in jih poljubno premikajte. "Ta inovacija je prinesla novo življenje na področju," je dejal Stephan Dürr z Inštituta Maxa Plancka za kvantno optiko v Garchingu v Nemčiji, ki uporablja Rydbergove atome za poskuse kvantne obdelave informacij na podlagi svetlobe.

Velik del dosedanjega dela uporablja atome rubidija in cezija, vendar fizik Jeff Thompson na univerzi Princeton daje prednost kodiranju informacij v jedrskih spinskih stanjih kovinskih atomov, kot sta stroncij in iterbij, ki imata še daljše koherenčne čase. Oktobra lani so Thompson in sodelavci poročali dvokubitna logična vrata, narejena iz teh sistemov.

In ni nujno, da so Rydbergove blokade med posameznimi atomi. Lansko poletje so Adams in njegovi sodelavci je pokazala, da lahko ustvarijo Rydbergovo blokado med atomom in ujeto molekulo, ki so jo naredili umetno tako, da so z optično pinceto potegnili atom cezija k atomu rubidija. Prednost hibridnih atomsko-molekulskih sistemov je, da imajo atomi in molekule zelo različne energije, kar bi olajšalo manipulacijo z enim, ne da bi vplivali na druge. Še več, molekularni kubiti imajo lahko zelo dolge koherenčne čase. Adams poudarja, da takšni hibridni sistemi vsaj 10 let zaostajajo za popolnoma atomskimi sistemi in da je treba še doseči prepletanje dveh takšnih kubitov. "Hibridni sistemi so res težki," je dejal Thompson, "vendar jih bomo verjetno nekoč prisiljeni narediti."

Visokokakovostni Qubiti

Noben kubit ni popoln: vsi lahko povzročijo napake. In če ti ostanejo neodkriti in nepopravljeni, premešajo rezultat izračuna.

Toda velika ovira za vse kvantno računalništvo je, da napak ni mogoče identificirati in popraviti na način, kot je to za klasične računalnike, kjer algoritem preprosto spremlja, v kakšnih stanjih so bitovi, tako da dela kopije. Ključ kvantnega računalništva je, da stanja kubitov ostanejo nedoločena, dokler se ne prebere končni rezultat. Če poskušate ta stanja izmeriti pred to točko, prekinete izračun. Kako torej kubite zaščititi pred napakami, ki jih sploh ne moremo spremljati?

Eden od odgovorov je širjenje informacij po številnih fizičnih kubitih - ki sestavljajo en "logični kubit" - tako da napaka v enem od njih ne pokvari informacij, ki jih skupaj kodirajo. To postane praktično le, če število fizičnih kubitov, potrebnih za vsak logični kubit, ni preveliko. Ti stroški so delno odvisni od uporabljenega algoritma za odpravljanje napak.

Logični kubiti s popravljenimi napakami so bili dokazani s superprevodnimi kubiti in kubiti z ujetimi ioni, vendar do nedavnega ni bilo jasno, ali jih je mogoče izdelati iz nevtralnih atomov. To se je spremenilo decembra, ko je ekipa s Harvarda razkrila nize več sto ujetih atomov rubidija in zagnala algoritme na 48 logičnih kubitih, od katerih je vsak sestavljen iz sedmih ali osmih fizičnih atomov. Raziskovalci so uporabili sistem za izvedbo preproste logične operacije, imenovane nadzorovana vrata NE, v kateri se stanji 1 in 0 kubita obrneta ali pustita nespremenjena, odvisno od stanja drugega "kontrolnega" kubita. Da bi izvedli izračune, so raziskovalci premaknili atome med tremi različnimi regijami v lovilni komori: nizom atomov, območjem interakcije (ali "območje vrat"), kamor so bili določeni atomi vlečeni in zapleteni z uporabo Rydbergove blokade, in območjem odčitavanja. . Adams je dejal, da je vse to omogočeno, ker "sistem Rydberg ponuja vso to možnost, da premešate kubite in se odločite, kdo s kom komunicira, kar vam daje prilagodljivost, ki je superprevodni kubiti nimajo."

Ekipa s Harvarda je prikazala tehnike odpravljanja napak za nekatere preproste algoritme logičnih kubitov, čeprav so pri največjih, z 48 logičnimi kubiti, dosegli zgolj zaznavo napak. Po Thompsonu so ti zadnji poskusi pokazali, da "lahko prednostno zavrnejo rezultate meritev z napakami in zato identificirajo podskupino rezultatov z nižjimi napakami." Ta pristop se imenuje naknadna selekcija in čeprav lahko igra vlogo pri kvantnem popravljanju napak, sam po sebi ne reši težave.

Rydbergovi atomi bi lahko bili primerni za nove kode za odpravljanje napak. Tista, uporabljena v Harvardskem delu, imenovana površinska koda, je "zelo priljubljena, a tudi zelo neučinkovita," je dejal Saffman; za izdelavo enega logičnega kubita je običajno potrebnih veliko fizičnih kubitov. Druge, učinkovitejše predlagane kode za odpravljanje napak zahtevajo interakcije daljšega dosega med kubiti, ne le parov najbližjih sosedov. Strokovnjaki kvantnega računalništva z nevtralnimi atomi menijo, da bi morale biti Rydbergove interakcije dolgega dosega kos tej nalogi. "Izredno sem optimističen, da nam bodo poskusi v naslednjih dveh do treh letih pokazali, da režijski stroški niso nujno tako slabi, kot so mislili ljudje," je dejal Lukin.

Čeprav je treba storiti še več, Steane meni, da je delo na Harvardu "stopenjska sprememba v stopnji, do katere so bili protokoli za odpravljanje napak realizirani v laboratoriju."

Spinning Off

S takšnim napredkom so Rydbergovi atomski kubiti primerljivi celo s svojimi konkurenti. "Kombinacija vrat z visoko zvestobo, velikega števila kubitov, visoko natančnih meritev in prilagodljive povezljivosti nam omogoča, da menimo, da je niz Rydbergovih atomov pravi tekmec superprevodnim in ujetim ionskim kubitom," je dejal Steane.

V primerjavi s superprevodnimi kubiti ima tehnologija le delček stroškov naložbe. Skupina Harvard ima spinoff podjetje, imenovano QuEra, ki je že izdelal 256-qubitni kvantni procesor Rydberg, imenovan Eagle — analogni »kvantni simulator«, ki lahko izvaja simulacije sistemi številnih kvantnih delcev — na voljo v oblaku v sodelovanju z Amazonovo kvantno računalniško platformo Braket. QuEra si prizadeva tudi za napredek kvantnega popravljanja napak.

Saffman se je pridružil podjetju, imenovanem pregib, ki razvija nevtralno-atomsko optično platformo za kvantne senzorje in komunikacije ter kvantno računalništvo. "Ne bi me presenetilo, če bi eno od velikih IT podjetij kmalu sklenilo nekakšno partnerstvo z enim od teh spinoffov," je dejal Adams.

"Izvajanje razširljivega popravljanja napak s kubiti z nevtralnimi atomi je vsekakor mogoče," je dejal Thompson. "Mislim, da je 10,000 nevtralnih atomskih kubitov očitno možnih v nekaj letih." Poleg tega meni, da bodo potrebne praktične omejitve laserske moči in ločljivosti modularne zasnove v katerem je več različnih nizov atomov povezanih skupaj.

Če se to zgodi, kdo ve, kaj bo iz tega? "Sploh še ne vemo, kaj lahko naredimo s kvantnim računalništvom," je dejal Lukin. "Resnično upam, da nam bo ta novi napredek pomagal odgovoriti na ta vprašanja."