คอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมเป็นกลางกำลังมีช่วงเวลาหนึ่ง - โลกฟิสิกส์

คอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมเป็นกลางกำลังมีช่วงเวลาหนึ่ง - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 9 พฤศจิกายน 2023 9:26 น

ภาพถ่ายของเลนส์อาบแสงสีเขียวและสีน้ำเงิน
ทุกระบบดำเนินไป: ลำแสงเลเซอร์ในห้องทดลองของ Jeff Thompson ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ซึ่งเขาและเพื่อนร่วมงานเพิ่งสาธิตวิธีใหม่ในการลบข้อผิดพลาดในคอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมที่เป็นกลาง (เอื้อเฟื้อโดย: แฟรงก์ วอจซีโชสกี้)

ในการแข่งขันเพื่อชิงแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัมแห่งอนาคต อะตอมที่เป็นกลางถือเป็นฝ่ายแพ้เล็กน้อย แม้ว่าควอนตัมบิต (คิวบิต) ที่ใช้อะตอมที่เป็นกลางจะมีลักษณะที่น่าสนใจหลายประการ รวมถึงความง่ายในการขยายจำนวนคิวบิตและการดำเนินการกับตัวเลขเหล่านั้นแบบคู่ขนาน ความสนใจส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่แพลตฟอร์มของคู่แข่ง เครื่องจักรที่ใหญ่ที่สุดหลายเครื่องถูกสร้างขึ้นด้วยคิวบิตตัวนำยิ่งยวด รวมถึงที่พัฒนาที่ ไอบีเอ็ม, Google, อเมซอนและ ไมโครซอฟท์. บริษัทอื่นๆ เลือกใช้ไอออน เช่น Honeywell และ ไอออนคิวหรือโฟตอน เช่น ซานา.

ในช่วงไม่กี่สัปดาห์ที่ผ่านมา มีการพัฒนาที่สะดุดตาหลายอย่างได้ผลักอะตอมที่เป็นกลางไปอยู่แถวหน้าของแพ็ค หนึ่งในนั้นมาจากสตาร์ทอัพชื่อ Atom Computing ซึ่ง ประกาศปลายเดือนตุลาคม ว่าอีกไม่นานมันจะมี เครื่องอะตอมเป็นกลางขนาด 1000 คิวบิต พร้อมสำหรับลูกค้า – อุปกรณ์ควอนตัมเชิงพาณิชย์เครื่องแรกที่ผ่านเหตุการณ์สำคัญนี้ ส่วนคนอื่นๆ มาจากทีมนักวิจัย XNUMX ทีมที่ตีพิมพ์ผลการศึกษาแยกกันใน ธรรมชาติ อธิบายถึงแพลตฟอร์มอะตอมที่เป็นกลางซึ่งมีสัญญาณรบกวนต่ำ ความสามารถในการลดข้อผิดพลาดแบบใหม่ และศักยภาพที่แข็งแกร่งในการขยายขนาดคิวบิตให้มีจำนวนมากขึ้น

สำหรับแพลตฟอร์ม qubit อุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดต่อการดำเนินการควอนตัมที่แข็งแกร่งคือสัญญาณรบกวนและข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้น “การแก้ไขข้อผิดพลาดถือเป็นขอบเขตของการประมวลผลควอนตัมอย่างแท้จริง” กล่าว Jeff Thompsonเป็นนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน สหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นผู้นำ หนึ่งในสามการศึกษา พร้อมด้วย ชรูติ ปูริ ของมหาวิทยาลัยเยล สหรัฐอเมริกา “มันคือสิ่งที่ขวางกั้นระหว่างเราและทำการคำนวณที่เป็นประโยชน์จริงๆ”

เหตุผลในการแก้ไขข้อผิดพลาดมีความสำคัญมากคือทำให้สามารถคำนวณได้แม้ว่าฮาร์ดแวร์พื้นฐานจะมีแนวโน้มที่จะเกิดเสียงรบกวนก็ตาม คอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกใช้กลยุทธ์การแก้ไขข้อผิดพลาดง่ายๆ ที่เรียกว่ารหัสการทำซ้ำ โดยเก็บข้อมูลเดียวกันหลายๆ ครั้ง ดังนั้นหากมีข้อผิดพลาดในบิตเดียว "คะแนนเสียงข้างมาก" ของบิตที่เหลือจะยังคงชี้ไปยังค่าที่ถูกต้อง อัลกอริธึมการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมโดยพื้นฐานแล้วเป็นเวอร์ชันที่ซับซ้อนกว่า แต่ก่อนที่แพลตฟอร์มจะได้รับประโยชน์จากอัลกอริธึมเหล่านี้ ฮาร์ดแวร์จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดขั้นต่ำบางประการ สำหรับอัลกอริธึมควอนตัมแบบดั้งเดิม หลักทั่วไปคืออัตราข้อผิดพลาดสำหรับหน่วยขั้นต่ำของการคำนวณควอนตัม (ประตูควอนตัม) ควรต่ำกว่า 1%

ทำให้เสียงรบกวนลดลง

นักวิจัยนำโดย มิคาอิลลูคิน ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด สหรัฐอเมริกา ได้แก่ ตอนนี้กำลังรายงาน ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมเป็นกลางมีคุณสมบัติตรงตามเกณฑ์ดังกล่าว โดยมีอัตราความผิดพลาดอยู่ที่ 0.5% พวกเขาบรรลุเป้าหมายนี้ด้วยการนำเกตสองควิบิตไปใช้ในลักษณะที่บุกเบิกโดยทีมงานต่างๆ ประเทศเยอรมัน และ ฝรั่งเศสและเครื่องของพวกเขาซึ่งพวกเขาพัฒนาร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ที่อยู่ใกล้เคียงนั้นทำงานดังนี้

ขั้นแรก ไอของอะตอมรูบิเดียมจะถูกทำให้เย็นลงจนอยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย จากนั้น อะตอมแต่ละอะตอมจะถูกจับและยึดไว้ด้วยลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสอย่างแน่นหนาในเทคนิคที่เรียกว่าการแหนบด้วยแสง แต่ละอะตอมแทนควิบิตเดียว และหลายร้อยถูกจัดเรียงในอาร์เรย์สองมิติ ข้อมูลควอนตัมในคิวบิตเหล่านี้ – ศูนย์หรือหนึ่งหรือซ้อนควอนตัมของทั้งสอง – ถูกเก็บไว้ในระดับพลังงานที่แตกต่างกันสองระดับของอะตอมรูบิเดียม

ในการทำเกตสองควิบิต อะตอมสองอะตอมจะถูกนำเข้ามาใกล้กันและส่องสว่างด้วยเลเซอร์ไปพร้อมๆ กัน การส่องสว่างจะส่งเสริมให้อิเล็กตรอนตัวหนึ่งของอะตอมมีระดับพลังงานสูงที่เรียกว่าสถานะริดเบิร์ก เมื่ออยู่ในสถานะนี้ อะตอมจะมีปฏิกิริยาโต้ตอบกับเพื่อนบ้านที่อยู่ใกล้ๆ ได้อย่างง่ายดาย ทำให้การทำงานของเกตเป็นไปได้

เพื่อปรับปรุงความเที่ยงตรงของการผ่าตัด ทีมงานได้ใช้ลำดับพัลส์ที่ได้รับการปรับปรุงเมื่อเร็วๆ นี้เพื่อสร้างความตื่นเต้นให้กับอะตอมทั้งสองในสถานะ Rydberg และนำพวกมันกลับลงมา ลำดับพัลส์นี้เร็วกว่าเวอร์ชันก่อนหน้า ทำให้อะตอมมีโอกาสน้อยลงที่จะสลายไปในสถานะที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งจะทำให้การคำนวณพัง เมื่อรวมสิ่งนี้เข้ากับการปรับปรุงทางเทคนิคอื่นๆ ทำให้ทีมมีความเที่ยงตรงถึง 99.5% สำหรับเกตสองควิบิต

แม้ว่าแพลตฟอร์มอื่นๆ จะได้รับความเที่ยงตรงที่เทียบเคียงได้ แต่คอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมเป็นกลางก็สามารถคำนวณแบบคู่ขนานได้มากขึ้น ในการทดลอง Lukin และทีมของเขาใช้เกตสองควิบิตเป็น 60 คิวบิตในคราวเดียวเพียงแค่ให้แสงสว่างด้วยพัลส์เลเซอร์เดียวกัน “สิ่งนี้ทำให้มันพิเศษมาก” Lukin กล่าว “เพราะว่าเราสามารถมีความเที่ยงตรงสูงและเราสามารถทำมันควบคู่ไปกับการควบคุมระดับโลกเพียงอันเดียว ไม่มีแพลตฟอร์มอื่นใดที่สามารถทำเช่นนั้นได้จริง ๆ”

การลบข้อผิดพลาด

ภาพวาดของศิลปินที่มีทรงกลม XNUMX อันเรียงกัน ทรงกลมเป็นตัวแทนของอะตอม อะตอมสี่อะตอมมีสีเหลือง ในขณะที่อะตอมหนึ่งมีสีชมพู
อะตอมแปลก ๆ: ด้วยการหาวิธีระบุอะตอมในสถานะ "ผิด" และลบพวกมันออกจากระบบ นักวิจัยจาก Princeton, Yale และ Caltech ได้แสดงวิธีทำให้การดำเนินการควอนตัมมีประสิทธิภาพมากขึ้นในเครื่องอะตอมที่เป็นกลาง (เอื้อเฟื้อโดย: คาลเทค/แลนซ์ ฮายาชิดะ)

ในขณะที่ทีมของ Lukin ปรับการทดลองให้เหมาะสมเพื่อให้ตรงตามเกณฑ์ความแม่นยำสำหรับการใช้แผนการแก้ไขข้อผิดพลาด Thompson และ Puri ร่วมกับเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัย Strasbourg ประเทศฝรั่งเศส ได้พบวิธีแปลงข้อผิดพลาดบางประเภทเป็นการลบออก โดยลบข้อผิดพลาดเหล่านั้นออกจากระบบโดยสิ้นเชิง . ซึ่งทำให้ข้อผิดพลาดเหล่านี้แก้ไขได้ง่ายขึ้นมาก โดยลดเกณฑ์สำหรับแผนการแก้ไขข้อผิดพลาดในการทำงาน

การจัดวางของทอมป์สันและปูรินั้นคล้ายคลึงกับการจัดวางของทีมฮาร์วาร์ด-เอ็มไอที โดยมีอะตอมที่เย็นจัดเป็นพิเศษแต่ละอะตอมถูกยึดไว้ในแหนบแบบใช้แสง ข้อแตกต่างที่สำคัญคือพวกเขาใช้อะตอมอิตเทอร์เบียมแทนรูบิเดียม อิตเทอร์เบียมมีโครงสร้างระดับพลังงานที่ซับซ้อนกว่ารูบิเดียม ซึ่งทำให้ยากต่อการทำงาน แต่ยังมีตัวเลือกเพิ่มเติมสำหรับการเข้ารหัสสถานะควอนตัมอีกด้วย ในกรณีนี้ นักวิจัยได้เข้ารหัสคิวบิตเป็น "ศูนย์" และ "หนึ่ง" ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้สองสถานะ แทนที่จะเป็นระดับพลังงานต่ำสุดสองระดับแบบดั้งเดิม แม้ว่าสถานะ metastable เหล่านี้จะมีอายุการใช้งานสั้นกว่า แต่กลไกข้อผิดพลาดที่เป็นไปได้หลายอย่างอาจทำให้อะตอมออกจากสถานะเหล่านี้และเข้าสู่สถานะพื้นซึ่งสามารถตรวจพบได้

ความสามารถในการลบข้อผิดพลาดถือเป็นประโยชน์อย่างมาก โดยทั่วไปแล้ว หากมากกว่าครึ่งหนึ่งของบิตในโค้ดการทำซ้ำมีข้อผิดพลาด ข้อมูลที่ไม่ถูกต้องจะถูกส่งออกไป “แต่ด้วยโมเดลการลบข้อมูล มันมีประสิทธิภาพมากกว่ามาก เพราะตอนนี้ฉันรู้ว่าบิตใดที่มีข้อผิดพลาด ดังนั้นฉันจึงสามารถแยกพวกมันออกจากเสียงข้างมากได้” Thompson อธิบาย “ดังนั้น ทั้งหมดที่ฉันต้องการก็คือเหลือไว้สักชิ้นหนึ่ง”

ด้วยเทคนิคการแปลงการลบข้อมูล ทำให้ Thompson และเพื่อนร่วมงานสามารถตรวจจับข้อผิดพลาดได้ประมาณหนึ่งในสามแบบเรียลไทม์ แม้ว่าความเที่ยงตรงของเกตสองควิบิตที่ 98% จะน้อยกว่าเครื่องจักรของทีม Harvard-MIT แต่ทอมป์สันตั้งข้อสังเกตว่าพวกเขาใช้พลังงานเลเซอร์น้อยกว่าเกือบ 10 เท่าในการขับเคลื่อนเกต และการเพิ่มพลังงานจะเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานในขณะเดียวกันก็ช่วยให้ ตรวจพบข้อผิดพลาดได้มากขึ้น เทคนิคการลบข้อผิดพลาดยังลดเกณฑ์สำหรับการแก้ไขข้อผิดพลาดลงเหลือต่ำกว่า 000% ในสถานการณ์ที่ข้อผิดพลาดเกือบทั้งหมดถูกแปลงเป็นการลบ ซึ่งทอมป์สันกล่าวว่าควรจะเป็นไปได้ เกณฑ์อาจต่ำถึง 99%

การลบข้อผิดพลาดแบบมัลติเพล็กซ์

ใน ผลลัพธ์ที่เกี่ยวข้องนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา (Caltech) ก็แปลงข้อผิดพลาดเป็นการลบข้อมูลเช่นกัน เครื่องอะตอมเป็นกลางที่ใช้สตรอนเซียมของพวกเขาเป็นคอมพิวเตอร์ควอนตัมประเภทที่ถูกจำกัดมากกว่าซึ่งรู้จักกันในชื่อเครื่องจำลองควอนตัม แม้ว่าพวกมันสามารถกระตุ้นอะตอมจนถึงสถานะริดเบิร์ก และสร้างการซ้อนทับที่พันกันระหว่างสถานะพื้นและริดเบิร์ก แต่ระบบของพวกมันมีสถานะพื้นเพียงสถานะเดียว ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถจัดเก็บข้อมูลควอนตัมได้ในระยะยาว

อย่างไรก็ตาม พวกเขาสร้างการซ้อนทับที่พันกันเหล่านี้ด้วยความเที่ยงตรงที่ไม่เคยมีมาก่อน: 99.9% พวกเขายังสร้างการซ้อนขนาดใหญ่ที่ไม่ใช่แค่สองอะตอม แต่ยังมี 26 อะตอม และปรับปรุงความแม่นยำในการทำเช่นนั้นด้วยการลบข้อผิดพลาดบางส่วน “โดยพื้นฐานแล้ว เราแสดงให้เห็นแล้วว่าคุณสามารถนำเทคนิคนี้เข้าสู่ขอบเขตของหลายร่างได้อย่างมีความหมาย” กล่าว อดัม ชอว์, นักศึกษาปริญญาเอกใน กลุ่มมานูเอล เอนเดรส ที่คาลเทค.

ความก้าวหน้าทั้งสามนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถของคอมพิวเตอร์ควอนตัมอะตอมที่เป็นกลาง และนักวิจัยกล่าวว่าแนวคิดของพวกเขาสามารถนำมารวมกันเป็นเครื่องจักรที่ทำงานได้ดีกว่าที่แสดงให้เห็นไปแล้ว “ความจริงที่ว่าผลงานทั้งหมดนี้ถูกปล่อยออกมาพร้อมกัน มันเป็นสัญญาณเล็กๆ น้อยๆ ว่ามีบางสิ่งที่พิเศษกำลังจะเกิดขึ้น” ลูคินสรุป

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์