Neutral-atom kvantdatorer har ett ögonblick – Physics World

I kapplöpningen om framtidens kvantberäkningsplattform har neutrala atomer varit lite av en underdog. Medan kvantbitar (qubits) baserade på neutrala atomer har flera attraktiva egenskaper, inklusive lättheten att skala upp qubit-tal och utföra operationer på dem parallellt, har den största uppmärksamheten fokuserats på rivaliserande plattformar. Många av de största maskinerna är byggda med supraledande qubits, inklusive de som utvecklats vid IBM, Google, amasonoch Microsoft. Andra företag har valt joner, som Honeywell och IonQ, eller fotoner, som Xanadu.

Under de senaste veckorna har dock flera iögonfallande utvecklingar drivit neutrala atomer mot framsidan av förpackningen. En av dem kom från en start-up som heter Atom Computing, som meddelade i slutet av oktober att den snart har en 1000-qubit neutral-atom maskin redo för kunder – den första kommersiella kvantenheten som klarade denna milstolpe. De andra kom från tre team av forskare som publicerade separata studier i Natur beskriver plattformar med neutrala atomer med lågt brus, nya felreducerande kapaciteter och stor potential för uppskalning till ännu större antal qubits.

För alla qubit-plattformar är de största hindren för robusta kvantoperationer brus och de fel det orsakar. "Felkorrigering är verkligen gränsen för kvantberäkning," säger Jeff Thompson, en fysiker vid Princeton University, USA som ledde en av de tre studierna Tillsammans med Shruti Puri från Yale University, USA. "Det är det som står mellan oss och som faktiskt gör användbara beräkningar."

Anledningen till att felkorrigering är så viktig är att det gör beräkningar möjliga även om den underliggande hårdvaran är utsatt för brus. Klassiska datorer använder en enkel felkorrigeringsstrategi som kallas en upprepningskod: lagra samma information flera gånger så att om det finns ett fel i en bit, kommer "majoritetens röst" för de återstående bitarna fortfarande att peka på rätt värde. Algoritmer för kvantfelskorrigering är i grunden mer komplexa versioner av detta, men innan en plattform kan dra nytta av dem måste deras hårdvara uppfylla vissa minimala trohetskrav. För traditionella kvantalgoritmer är tumregeln att felfrekvensen för den minsta kvantberäkningsenheten – en kvantgrind – ska vara under 1 %.

Att dämpa bruset

Forskare ledd av Mikhail Lukin vid Harvard University, USA, är rapporterar nu att deras kvantdator med neutral atom har nått den tröskeln och uppnått en felfrekvens på 0.5 %. De nådde denna milstolpe genom att implementera två-qubit-grindar på ett sätt som var banbrytande av team inom Tyskland och Frankrike, och deras maskin, som de utvecklade tillsammans med kollegor vid det angränsande Massachusetts Institute of Technology (MIT), fungerar enligt följande.

Först kyls en ånga av rubidiumatomer till strax över absolut noll. Sedan fångas individuella atomer och hålls av hårt fokuserade laserstrålar i en teknik som kallas optisk pincett. Varje atom representerar en enda qubit, och hundratals är ordnade i en tvådimensionell array. Kvantinformationen i dessa qubits – en noll eller en eller en kvantöverlagring av de två – lagras i två olika energinivåer av rubidiumatomerna.

För att utföra en två-qubit-grind förs två atomer nära varandra och belyses samtidigt av en laser. Belysningen främjar en av atomens elektroner till en hög energinivå som kallas Rydberg-tillstånd. Väl i detta tillstånd interagerar atomer lätt med sina närmaste grannar, vilket gör portdriften möjlig.

För att förbättra driftsäkerheten använde teamet en nyligen utvecklad optimerad pulssekvens för att excitera de två atomerna till Rydberg-tillståndet och föra ner dem igen. Denna pulssekvens är snabbare än tidigare versioner, vilket ger atomerna mindre chans att sönderfalla till fel tillstånd, vilket skulle bryta beräkningen. Genom att kombinera detta med andra tekniska förbättringar kunde teamet nå 99.5 % trohet för två-qubit-grindar.

Även om andra plattformar har uppnått jämförbar trohet, kan neutral-atom kvantdatorer göra fler beräkningar parallellt. I sitt experiment tillämpade Lukin och hans team sin två-qubit-grind på 60 qubits på en gång genom att helt enkelt belysa dem med samma laserpuls. "Detta gör det väldigt, väldigt speciellt", säger Lukin, "eftersom vi kan ha hög trohet och vi kan göra det parallellt med bara en enda global kontroll. Ingen annan plattform kan faktiskt göra det.”

Radera fel

Medan Lukins team optimerade sitt experiment för att nå tröskelvärdet för att tillämpa felkorrigeringsscheman, hittade Thompson och Puri, tillsammans med kollegor vid universitetet i Strasbourg, Frankrike, ett sätt att konvertera vissa typer av fel till raderingar och ta bort dem från systemet helt och hållet . Detta gör dessa fel mycket lättare att korrigera, vilket sänker tröskeln för att felkorrigeringsscheman ska fungera.

Thompson och Puris konfiguration liknar den för Harvard-MIT-teamet, med individuella ultrakalla atomer som hålls i en optisk pincett. Den största skillnaden är att de använde ytterbiumatomer istället för rubidium. Ytterbium har en mer komplicerad energinivåstruktur än rubidium, vilket gör det svårare att arbeta med men ger också fler alternativ för att koda kvanttillstånd. I det här fallet kodade forskarna "noll" och "en" av deras qubits i två metastabila tillstånd, snarare än de traditionella två lägsta energinivåerna. Även om dessa metastabila tillstånd har kortare livslängder, skulle många av de möjliga felmekanismerna stöta atomerna ut ur dessa tillstånd och in i grundtillståndet, där de kan detekteras.

Att kunna radera fel är en stor välsignelse. Klassiskt, om mer än hälften av bitarna i en upprepningskod har fel, kommer fel information att överföras. "Men med raderingsmodellen är den mycket kraftfullare eftersom jag nu vet vilka bitar som har haft ett fel, så jag kan utesluta dem från majoritetsomröstningen", förklarar Thompson. "Så allt jag behöver är att det finns en bra bit kvar."

Tack vare sin raderingskonverteringsteknik kunde Thompson och kollegor upptäcka ungefär en tredjedel av felen i realtid. Även om deras två-qubit-gatefidelitet på 98 % är mindre än den för Harvard-MIT-teamets maskin, noterar Thompson att de använde nästan 10 000 gånger mindre laserkraft för att driva sin gate, och att öka kraften kommer att öka prestandan samtidigt som de tillåter en större del av fel som ska upptäckas. Felraderingstekniken sänker också tröskeln för felkorrigering till under 99 %; i ett scenario där nästan alla fel konverteras till raderingar, vilket Thompson säger borde vara möjligt, kan tröskeln vara så låg som 90 %.

Radering av multiplexeringsfel

I en relaterat resultat, forskare vid California Institute of Technology, USA (Caltech) konverterade också fel till raderingar. Deras strontiumbaserade neutrala atommaskin är en mer begränsad typ av kvantdator känd som en kvantsimulator: medan de kan excitera atomer upp till Rydberg-tillståndet och skapa intrasslade superpositioner mellan mark- och Rydberg-tillstånd, har deras system bara ett grundtillstånd, vilket innebär att de inte kan lagra kvantinformation på lång sikt.

Ny neutral-atom qubit erbjuder fördelar för kvantberäkning

Men de skapade dessa intrasslade superpositioner med oöverträffad trohet: 99.9%. De gjorde också en enorm superposition bestående av inte bara två atomer, utan 26, och förbättrade troheten att göra det genom att radera några av felen. "Vi visar i grunden att du på ett meningsfullt sätt kan föra in den här tekniken till mångkroppens rike", säger Adam Shaw, doktorand i Manuel Endres grupp på Caltech.

Tillsammans visar de tre framstegen upp kapaciteten hos kvantdatorer med neutrala atomer, och forskarna säger att deras idéer kan kombineras till en maskin som fungerar ännu bättre än de som visats hittills. "Det faktum att alla dessa verk kom ut tillsammans, det är lite av ett tecken på att något speciellt är på väg att komma", avslutar Lukin.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/