Qubits ที่ดีที่สุดสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมอาจเป็นเพียงอะตอม นิตยสารควอนต้า

เมื่อปลายปีที่แล้ว IBM ยักษ์ใหญ่ด้านเทคโนโลยีได้ประกาศสิ่งที่อาจดูเหมือนเป็นก้าวสำคัญในการคำนวณควอนตัม นั่นคือชิปตัวแรกที่เรียกว่า Condor ซึ่งมีควอนตัมบิตหรือคิวบิตมากกว่า 1,000 บิต เนื่องจากเพิ่งผ่านไปเพียงสองปีหลังจากที่บริษัทเปิดตัว Eagle ซึ่งเป็นชิปตัวแรกที่มีมากกว่า 100 คิวบิต มันจึงดูราวกับว่าสนามกำลังแข่งไปข้างหน้า การสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ปัญหาที่เป็นประโยชน์ได้เกินขอบเขตของซูเปอร์คอมพิวเตอร์คลาสสิกที่ทรงพลังที่สุดในปัจจุบัน จำเป็นต้องมีการขยายขนาดให้มากขึ้นไปอีก ซึ่งอาจถึงหลายสิบหรือหลายแสนคิวบิต แต่นั่นเป็นเพียงเรื่องของวิศวกรรมใช่ไหม?

ไม่จำเป็น. ความท้าทายในการขยายขนาดมีมากจนนักวิจัยบางคนคิดว่าจะต้องใช้ฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้โดย IBM และ Google คิวบิตใน Condor และชิป Sycamore ของ Google ทำมาจากลูปของวัสดุตัวนำยิ่งยวด จนถึงขณะนี้ คิวบิตตัวนำยิ่งยวดเหล่านี้เป็นเหมือนกระต่ายในการแข่งขันคอมพิวเตอร์ควอนตัมเต็มรูปแบบ แต่ตอนนี้ มีเต่าตัวหนึ่งมาจากด้านหลัง คิวบิตที่สร้างจากแต่ละอะตอม

ความก้าวหน้าล่าสุดได้เปลี่ยน "คิวบิตอะตอมที่เป็นกลาง" เหล่านี้จากบุคคลภายนอกไปสู่คู่แข่งชั้นนำ

“ในช่วงสองหรือสามปีที่ผ่านมามีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วมากกว่าช่วงใดๆ ก่อนหน้านี้” นักฟิสิกส์ Mark Saffman จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมืองเมดิสัน กล่าว ซึ่งนับรวมบริษัทอย่างน้อยห้าแห่งที่เร่งดำเนินการเชิงพาณิชย์ในเชิงพาณิชย์ด้านการประมวลผลควอนตัมอะตอมที่เป็นกลาง

เช่นเดียวกับบิตในคอมพิวเตอร์ทั่วไป qubits เข้ารหัสข้อมูลไบนารี - 1 และ 0 แต่ในขณะที่บิตจะอยู่ในสถานะเดียวหรืออีกสถานะหนึ่งเสมอ ข้อมูลในคิวบิตอาจถูกปล่อยให้ไม่แน่นอน ในสิ่งที่เรียกว่า "การซ้อนทับ" ที่ให้น้ำหนักกับความเป็นไปได้ทั้งสอง ในการคำนวณ คิวบิตจะเชื่อมโยงกันโดยใช้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการพัวพันควอนตัม ซึ่งทำให้สถานะที่เป็นไปได้ของพวกมันต้องพึ่งพาอาศัยกัน อัลกอริธึมควอนตัมเฉพาะอาจต้องการการพัวพันอย่างต่อเนื่องระหว่างชุดคิวบิตต่างๆ และคำตอบจะถูกอ่านในตอนท้ายของการคำนวณเมื่อมีการทำการวัด โดยยุบแต่ละการซ้อนทับลงไปที่ 1 หรือ 0 ที่แน่นอน

แนวคิดในการใช้สถานะควอนตัมของอะตอมที่เป็นกลางในการเข้ารหัสข้อมูลด้วยวิธีนี้คือ เสนอ ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 โดยนักฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด มิคาอิลลูคิน และเพื่อนร่วมงานและ ด้วย โดยกลุ่มที่นำโดย อีวาน ดอยท์ช ของมหาวิทยาลัยนิวเม็กซิโก เป็นเวลานานแล้วที่ชุมชนการวิจัยในวงกว้างเห็นพ้องกันว่าการคำนวณควอนตัมอะตอมที่เป็นกลางเป็นแนวคิดที่ดีในหลักการ Lukin กล่าว แต่ในทางปฏิบัติ "มันไม่ได้ผล"

“แต่ 20 ปีต่อมา แนวทางอื่นๆ ไม่ได้ปิดข้อตกลง” ซัฟแมนกล่าว “ชุดทักษะและเทคนิคที่จำเป็นในการทำให้อะตอมเป็นกลางทำงานได้ค่อยๆ พัฒนาไปจนถึงจุดที่มีแนวโน้มว่าจะมีแนวโน้มดี”

ห้องทดลองของ Lukin ที่ Harvard เป็นหนึ่งในห้องทดลองที่เป็นผู้นำ ในเดือนธันวาคม เขาและเพื่อนร่วมงาน รายงาน พวกเขาสร้างวงจรควอนตัมที่ตั้งโปรแกรมได้ซึ่งมีคิวบิตอะตอมเป็นกลางหลายร้อยตัว และได้ทำการคำนวณควอนตัมและแก้ไขข้อผิดพลาดด้วย และในเดือนนี้ ทีมงานจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย รายงาน พวกเขาสร้างอาร์เรย์จำนวน 6,100 อะตอมมิกคิวบิต ผลลัพธ์ดังกล่าวทำให้ผู้เปลี่ยนใจเลื่อมใสหันมาใช้วิธีการนี้เพิ่มมากขึ้น

“สิบปีที่แล้ว ฉันจะไม่รวมวิธีการ [อะตอมที่เป็นกลาง] เหล่านี้ไว้ หากฉันป้องกันความเสี่ยงเกี่ยวกับอนาคตของการคำนวณควอนตัม” กล่าว แอนดรูว์ สเตนนักทฤษฎีข้อมูลควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด “นั่นคงจะเป็นความผิดพลาด”

การต่อสู้ของควิบิต

ประเด็นสำคัญในการแข่งขันระหว่างประเภท qubit คือระยะเวลาที่ qubit แต่ละประเภทสามารถรักษาตำแหน่งซ้อนทับไว้ได้ ก่อนที่จะมีการเปลี่ยนแปลงโดยความผันผวนแบบสุ่ม (เช่น ความร้อน) สำหรับคิวบิตตัวนำยิ่งยวดเช่น IBM และ Google "เวลาการเชื่อมโยงกัน" โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณมิลลิวินาทีที่ดีที่สุด ทุกขั้นตอนของการคำนวณควอนตัมจะต้องเกิดขึ้นภายในกรอบเวลานั้น

ข้อดีประการหนึ่งของการเข้ารหัสข้อมูลในสถานะของอะตอมแต่ละอะตอมก็คือ โดยทั่วไปเวลาในการเชื่อมโยงกันจะนานกว่ามาก ยิ่งไปกว่านั้น ไม่เหมือนกับวงจรตัวนำยิ่งยวดตรงที่อะตอมประเภทหนึ่งๆ เหมือนกันทั้งหมด ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีระบบควบคุมแบบสั่งทำพิเศษในการป้อนและจัดการสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันอย่างละเอียด

และในขณะที่การเดินสายไฟที่ใช้เชื่อมโยงคิวบิตตัวนำยิ่งยวดเข้ากับวงจรควอนตัมอาจมีความซับซ้อนอย่างน่ากลัว เมื่อระบบมีขนาดใหญ่ขึ้น ไม่จำเป็นต้องเดินสายไฟในกรณีของอะตอม การพัวพันทั้งหมดทำได้โดยใช้แสงเลเซอร์

ผลประโยชน์นี้เริ่มแรกนำเสนอความท้าทาย มีเทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดีสำหรับการแกะสลักวงจรและสายไฟไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน และเหตุผลที่เป็นไปได้ประการหนึ่งที่ IBM และ Google ลงทุนในคิวบิตตัวนำยิ่งยวดในตอนแรกไม่ใช่เพราะเห็นได้ชัดว่าสิ่งเหล่านี้ดีที่สุด แต่เนื่องจากพวกเขาต้องการวงจรประเภทที่บริษัทดังกล่าวคุ้นเคย กล่าว สจวร์ต อดัมส์เป็นนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเดอแรมในสหราชอาณาจักรที่ทำงานเกี่ยวกับการคำนวณควอนตัมอะตอมที่เป็นกลาง “เลนส์อะตอมที่ใช้เลเซอร์ดูไม่คุ้นเคยเลยสำหรับพวกมัน วิศวกรรมทั้งหมดแตกต่างอย่างสิ้นเชิง”

คิวบิตที่ทำจากอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าไอออน สามารถควบคุมได้ด้วยแสง และไอออนได้รับการพิจารณามานานแล้วว่าเป็นตัวเลือกคิวบิตที่ดีกว่าอะตอมที่เป็นกลาง เนื่องจากมีประจุ ไอออนจึงค่อนข้างจะดักจับในสนามไฟฟ้าได้ง่าย นักวิจัยได้สร้างกับดักไอออนโดยการระงับไอออนในช่องสุญญากาศเล็กๆ ที่อุณหภูมิต่ำมาก (เพื่อหลีกเลี่ยงการกระตุกของความร้อน) ในขณะที่ลำแสงเลเซอร์จะสลับระหว่างสถานะพลังงานต่างๆ เพื่อจัดการข้อมูล ขณะนี้มีการสาธิตคอมพิวเตอร์ควอนตัมกับดักไอออนที่มีคิวบิตหลายสิบตัว และบริษัทสตาร์ทอัพหลายแห่งกำลังพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อการพาณิชย์ “จนถึงตอนนี้ ระบบที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในแง่ของความเที่ยงตรง การควบคุม และการเชื่อมโยงกันนั้นถูกกักขังอยู่ในไอออน” ซัฟแมนกล่าว

การดักจับอะตอมที่เป็นกลางนั้นยากกว่าเพราะไม่มีประจุให้ยึดไว้ ในทางกลับกัน อะตอมจะถูกตรึงไว้ภายในสนามแสงเข้มข้นที่เกิดจากลำแสงเลเซอร์ เรียกว่าแหนบแบบออปติคอล โดยทั่วไปอะตอมจะชอบอยู่ในบริเวณที่มีสนามแสงรุนแรงที่สุด

และมีปัญหาเกิดขึ้นกับไอออน พวกมันทั้งหมดมีประจุไฟฟ้าที่มีสัญลักษณ์เดียวกัน นั่นหมายถึงคิวบิตจะผลักกัน การอัดไอออนจำนวนมากลงในพื้นที่เล็กๆ เดียวกันจะยิ่งยากขึ้นเมื่อมีไอออนมากขึ้น ด้วยอะตอมที่เป็นกลาง จะไม่มีความตึงเครียดดังกล่าว นักวิจัยกล่าวว่าสิ่งนี้ทำให้คิวบิตอะตอมที่เป็นกลางสามารถปรับขนาดได้มากขึ้น

ยิ่งไปกว่านั้น ไอออนที่ติดอยู่จะถูกจัดเรียงเป็นแถว (หรือเมื่อเร็ว ๆ นี้ เป็นการวนซ้ำ “ลู่วิ่ง"). การกำหนดค่านี้ทำให้ยากต่อการพัวพันไอออนคิวบิตหนึ่งกับอีกไอออนหนึ่งซึ่งก็คือ 20 ตำแหน่งในแถว “กับดักไอออนนั้นมีมิติเดียว” อดัมส์กล่าว “คุณต้องจัดเรียงพวกมันเป็นแถว และเป็นเรื่องยากมากที่จะดูว่าคุณจะรับได้ถึงพันคิวบิตด้วยวิธีนั้นได้อย่างไร”

อาร์เรย์อะตอมเป็นกลางอาจเป็นตารางสองมิติ ซึ่งง่ายกว่ามากในการขยายขนาด “คุณสามารถใส่อะไรได้มากมายในระบบเดียวกัน และพวกมันจะไม่โต้ตอบเมื่อคุณไม่ต้องการให้พวกเขาทำเช่นนั้น” แซฟแมนกล่าว กลุ่มของเขาและคนอื่นๆ ได้กักอะตอมที่เป็นกลางไว้มากกว่า 1,000 อะตอมด้วยวิธีนี้ “เราเชื่อว่าเราสามารถบรรจุอุปกรณ์ขนาดเซนติเมตรได้หลายสิบหรือหลายแสนชิ้น” เขากล่าว

จริงๆ แล้ว ในงานล่าสุด ทีมงานที่ Caltech ได้สร้างอาร์เรย์แหนบแบบใช้แสงที่มีอะตอมซีเซียมเป็นกลางประมาณ 6,100 อะตอม แม้ว่าพวกเขาจะยังไม่ได้ทำการคำนวณควอนตัมใดๆ ด้วยก็ตาม คิวบิตเหล่านี้ยังมีเวลาเชื่อมโยงกันที่มากถึง 12.6 วินาที ซึ่งถือเป็นสถิติสำหรับควิบิตประเภทนี้

การปิดล้อม Rydberg

เพื่อให้คิวบิตตั้งแต่สองตัวขึ้นไปพันกัน พวกมันจำเป็นต้องโต้ตอบซึ่งกันและกัน อะตอมที่เป็นกลางจะ "สัมผัส" การมีอยู่ของกันและกันผ่านสิ่งที่เรียกว่าแรงแวนเดอร์วาลส์ ซึ่งเกิดขึ้นจากการที่อะตอมหนึ่งตอบสนองต่อความผันผวนในกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนในอีกอะตอมหนึ่งที่อยู่ใกล้เคียง แต่แรงที่อ่อนแอเหล่านี้จะรู้สึกได้ก็ต่อเมื่ออะตอมอยู่ใกล้กันมากเท่านั้น การจัดการอะตอมปกติให้มีความแม่นยำตามที่ต้องการโดยใช้สนามแสงไม่สามารถทำได้

ดังที่ Lukin และเพื่อนร่วมงานของเขาชี้ให้เห็นในข้อเสนอดั้งเดิมของพวกเขาย้อนกลับไปในปี 2000 ระยะปฏิสัมพันธ์สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากหากเราเพิ่มขนาดของอะตอมด้วยตนเอง ยิ่งอิเล็กตรอนมีพลังงานมากเท่าไร ก็ยิ่งมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนตัวออกจากนิวเคลียสของอะตอมได้ไกลขึ้นเท่านั้น หากใช้เลเซอร์เพื่อสูบอิเล็กตรอนเข้าสู่สถานะพลังงานที่มากกว่าสถานะปกติที่พบในอะตอม ซึ่งเรียกว่าสถานะ Rydberg ตามชื่อนักฟิสิกส์ชาวสวีเดน Johannes Rydberg ซึ่งในช่วงทศวรรษปี 1880 ได้ศึกษาวิธีที่อะตอมเปล่งแสงที่ความยาวคลื่นแยกกัน อิเล็กตรอนจะ สามารถเดินทางออกนอกนิวเคลียสได้ไกลกว่าปกติหลายพันเท่า

การเพิ่มขนาดนี้ทำให้อะตอมสองอะตอมอยู่ห่างจากกันหลายไมโครเมตร ซึ่งเป็นไปได้อย่างสมบูรณ์แบบในกับดักแสงเพื่อโต้ตอบกัน

ในการใช้อัลกอริธึมควอนตัม นักวิจัยจะเข้ารหัสข้อมูลควอนตัมเป็นระดับพลังงานปรมาณูคู่หนึ่ง โดยใช้เลเซอร์เพื่อสลับอิเล็กตรอนระหว่างระดับต่างๆ จากนั้นพวกมันพัวพันสถานะของอะตอมโดยการเปิดปฏิสัมพันธ์ของ Rydberg ระหว่างพวกมัน อะตอมที่กำหนดอาจจะตื่นเต้นกับสถานะของ Rydberg หรือไม่ ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่อยู่ในทั้งสองระดับ - มีเพียงอันเดียวเท่านั้นที่อยู่ในพลังงานที่เหมาะสมเพื่อสะท้อนกับความถี่ของเลเซอร์กระตุ้น และหากอะตอมกำลังโต้ตอบกับอะตอมอื่น ความถี่ในการกระตุ้นนี้จะเปลี่ยนไปเล็กน้อย เพื่อให้อิเล็กตรอนไม่สะท้อนกับแสงและไม่สามารถกระโดดได้ ซึ่งหมายความว่าอะตอมที่มีปฏิสัมพันธ์เพียงคู่เดียวเท่านั้นที่สามารถรักษาสถานะของ Rydberg ได้ตลอดเวลา สถานะควอนตัมมีความสัมพันธ์กันหรือพูดอีกอย่างหนึ่งว่าพัวพันกัน สิ่งนี้เรียกว่าการปิดล้อม Rydberg ก่อน เสนอ โดย Lukin และเพื่อนร่วมงานในปี 2001 เป็นวิธีในการพัวพันกับ Rydberg-atom qubits เป็นผลทั้งหมดหรือไม่มีเลย: ไม่ว่าจะมีการปิดล้อม Rydberg หรือไม่ก็ตาม “การปิดล้อม Rydberg ทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมแบบดิจิทัล” Lukin กล่าว

ในตอนท้ายของการคำนวณ เลเซอร์จะอ่านสถานะของอะตอม: หากอะตอมอยู่ในสถานะที่มีการสะท้อนกับแสงสว่าง แสงจะกระเจิง แต่ถ้าอยู่ในสถานะอื่น จะไม่มีการกระเจิง

ในปี พ.ศ. 2004 ทีมงานจากมหาวิทยาลัยคอนเนตทิคัต แสดงให้เห็นถึง การปิดล้อม Rydberg ระหว่างอะตอมของรูบิเดียม ถูกดักและทำให้เย็นลงเหลือเพียง 100 ไมโครเคลวินเหนือศูนย์สัมบูรณ์ พวกเขาทำให้อะตอมเย็นลงโดยใช้เลเซอร์เพื่อ "ดูด" พลังงานความร้อนของอะตอมออกไป วิธีการนี้หมายความว่าอะตอมที่เป็นกลางต่างจากคิวบิตตัวนำยิ่งยวดตรงที่ไม่ต้องการการทำความเย็นด้วยความเย็นจัดและไม่มีสารทำความเย็นที่ยุ่งยาก ระบบเหล่านี้จึงมีขนาดกะทัดรัดมาก “อุปกรณ์โดยรวมอยู่ที่อุณหภูมิห้อง” ซัฟแมนกล่าว “ห่างจากอะตอมที่เย็นจัดเหล่านี้หนึ่งเซนติเมตร คุณจะมีหน้าต่างอุณหภูมิห้อง”

ในปี 2010 แซฟแมนและเพื่อนร่วมงานของเขา รายงาน ประตูลอจิกแรก ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ ซึ่งสัญญาณอินพุตไบนารี่ตั้งแต่หนึ่งสัญญาณขึ้นไปจะสร้างเอาต์พุตไบนารี่เฉพาะ ซึ่งทำจากอะตอมสองอะตอมโดยใช้การปิดล้อม Rydberg สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือในปี 2016 ทีมงานและกลุ่มวิจัยของ Lukin ในฝรั่งเศสและเกาหลีใต้ล้วน อิสระ นึกออก, คิดออก, หาคำตอบได้ วิธีการ โหลดอะตอมที่เป็นกลางจำนวนมาก เข้าไปในอาร์เรย์ของกับดักแสงและเคลื่อนย้ายพวกมันไปรอบๆ ตามต้องการ “นวัตกรรมนี้นำชีวิตใหม่มาสู่สนาม” กล่าว สเตฟาน เดอร์ ของสถาบัน Max Planck แห่ง Quantum Optics ในเมือง Garching ประเทศเยอรมนี ซึ่งใช้อะตอมของ Rydberg ในการทดลองในการประมวลผลข้อมูลควอนตัมที่ใช้แสง

งานส่วนใหญ่จนถึงขณะนี้ใช้อะตอมรูบิเดียมและซีเซียม แต่นักฟิสิกส์ Jeff Thompson ที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันชอบการเข้ารหัสข้อมูลในสถานะการหมุนของนิวเคลียร์ของอะตอมโลหะ เช่น สตรอนเทียมและอิตเทอร์เบียม ซึ่งมีเวลาการเชื่อมโยงกันนานกว่า เมื่อเดือนตุลาคมปีที่แล้ว ทอมป์สันและเพื่อนร่วมงาน รายงาน ลอจิกเกตสองคิวบิตที่สร้างจากระบบเหล่านี้

และการปิดล้อมริดเบิร์กไม่จำเป็นต้องอยู่ระหว่างอะตอมเดี่ยวๆ ฤดูร้อนที่แล้ว อดัมส์และเพื่อนร่วมงานของเขา แสดงให้เห็นว่า ว่าพวกเขาสามารถสร้างการปิดล้อม Rydberg ระหว่างอะตอมและโมเลกุลที่ติดอยู่ได้ ซึ่งพวกเขาสร้างขึ้นโดยใช้แหนบแสงเพื่อดึงอะตอมซีเซียมที่อยู่ถัดจากอะตอมรูบิเดียม ข้อดีของระบบอะตอม-โมเลกุลลูกผสมคืออะตอมและโมเลกุลมีพลังงานที่แตกต่างกันมาก ซึ่งทำให้ง่ายต่อการจัดการพลังงานหนึ่งโดยไม่ส่งผลกระทบต่อพลังงานอื่น ยิ่งไปกว่านั้น คิวบิตของโมเลกุลสามารถมีเวลาเชื่อมโยงกันที่ยาวมาก Adams เน้นย้ำว่าระบบไฮบริดดังกล่าวช้ากว่าระบบอะตอมทั้งหมดอย่างน้อย 10 ปี และการพัวพันของคิวบิตทั้งสองดังกล่าวยังไม่บรรลุผลสำเร็จ “ระบบไฮบริดนั้นยากจริงๆ” ทอมป์สันกล่าว “แต่เราอาจถูกบังคับให้ทำแบบนั้นในจุดๆ หนึ่ง”

Qubits ความเที่ยงตรงสูง

ไม่มี qubit ที่สมบูรณ์แบบ: ทั้งหมดอาจมีข้อผิดพลาดได้ และหากสิ่งเหล่านี้ตรวจไม่พบและไม่ถูกแก้ไข ก็จะแย่งชิงผลลัพธ์ของการคำนวณ

แต่อุปสรรคใหญ่สำหรับการคำนวณควอนตัมทั้งหมดก็คือ ไม่สามารถระบุและแก้ไขข้อผิดพลาดได้ในลักษณะเดียวกับคอมพิวเตอร์คลาสสิก โดยที่อัลกอริธึมจะคอยติดตามว่าบิตนั้นอยู่ในสถานะใดโดยการทำสำเนา กุญแจสำคัญในการคำนวณควอนตัมคือสถานะของคิวบิตนั้นไม่ได้รับการระบุจนกว่าจะอ่านผลลัพธ์สุดท้าย หากคุณพยายามวัดสถานะเหล่านั้นก่อนหน้าจุดนั้น คุณจะยุติการคำนวณ แล้วคิวบิตจะสามารถป้องกันข้อผิดพลาดที่เราไม่สามารถตรวจสอบได้อย่างไร?

คำตอบหนึ่งคือการกระจายข้อมูลไปยังคิวบิตทางกายภาพจำนวนมาก ซึ่งประกอบเป็น "คิวบิตเชิงตรรกะ" เดียว เพื่อให้ข้อผิดพลาดในหนึ่งในนั้นไม่ทำให้ข้อมูลที่เข้ารหัสร่วมกันเสียหาย สิ่งนี้จะใช้งานได้จริงก็ต่อเมื่อจำนวนคิวบิตจริงที่จำเป็นสำหรับแต่ละคิวบิตเชิงตรรกะนั้นไม่มากจนเกินไป ค่าใช้จ่ายนั้นส่วนหนึ่งขึ้นอยู่กับว่ามีการใช้อัลกอริธึมแก้ไขข้อผิดพลาดอะไร

คิวบิตลอจิคัลที่แก้ไขข้อผิดพลาดได้รับการสาธิตด้วยคิวบิตตัวนำยิ่งยวดและคิวบิตไอออนที่ติดอยู่ แต่จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ยังไม่ชัดเจนว่าสามารถสร้างจากอะตอมที่เป็นกลางได้หรือไม่ สิ่งนี้เปลี่ยนไปในเดือนธันวาคม เมื่อทีมงานของฮาร์วาร์ดเปิดเผยอาร์เรย์ของอะตอมรูบิเดียมหลายร้อยอะตอมที่ติดอยู่ และรันอัลกอริทึมบน 48 คิวบิตเชิงตรรกะ ซึ่งแต่ละอะตอมสร้างขึ้นจากอะตอมทางกายภาพเจ็ดหรือแปดอะตอม นักวิจัยใช้ระบบเพื่อดำเนินการเชิงตรรกะง่ายๆ ที่เรียกว่า NOT gate ที่มีการควบคุม ซึ่งสถานะ 1 และ 0 ของ qubit จะถูกพลิกหรือไม่เปลี่ยนแปลง ขึ้นอยู่กับสถานะของ qubit “ควบคุม” ที่สอง ในการคำนวณ นักวิจัยได้ย้ายอะตอมระหว่างสามส่วนที่แตกต่างกันในห้องดักจับ ได้แก่ อาร์เรย์ของอะตอม พื้นที่ปฏิสัมพันธ์ (หรือ "โซนประตู") ซึ่งอะตอมเฉพาะเจาะจงถูกลากและพันกันโดยใช้การปิดล้อม Rydberg และโซนการอ่านข้อมูล . Adams กล่าว ทั้งหมดนี้เป็นไปได้ เพราะ "ระบบ Rydberg มอบความสามารถทั้งหมดนี้ให้กับคุณในการสับเปลี่ยนคิวบิตไปรอบๆ และตัดสินใจว่าใครกำลังโต้ตอบกับใคร ซึ่งจะทำให้คุณมีความยืดหยุ่นในแบบที่คิวบิตตัวนำยิ่งยวดไม่มี"

ทีมงานของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้สาธิตเทคนิคการแก้ไขข้อผิดพลาดสำหรับอัลกอริธึมเชิงตรรกะ-คิวบิตแบบง่ายๆ บางตัว แม้ว่าสำหรับอัลกอริธึมที่ใหญ่ที่สุดซึ่งมี 48 คิวบิตเชิงตรรกะ พวกเขาเพียงแต่ตรวจพบข้อผิดพลาดเท่านั้น จากข้อมูลของ Thompson การทดลองในช่วงหลังดังกล่าวแสดงให้เห็นว่า “พวกเขาสามารถปฏิเสธผลลัพธ์การวัดที่มีข้อผิดพลาดได้เป็นพิเศษ และดังนั้นจึงระบุผลลัพธ์ชุดย่อยที่มีข้อผิดพลาดน้อยกว่าได้” วิธีการนี้เรียกว่าหลังการคัดเลือก และแม้ว่าวิธีการนี้สามารถมีบทบาทในการแก้ไขข้อผิดพลาดทางควอนตัมได้ แต่ก็ไม่สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยตัวเอง

อะตอมของ Rydberg อาจให้ความสำคัญกับรหัสแก้ไขข้อผิดพลาดแบบใหม่ โค้ดที่ใช้ในงานของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด เรียกว่า Surface Code “เป็นที่นิยมมาก แต่ก็ไร้ประสิทธิภาพเช่นกัน” แซฟแมนกล่าว มันมีแนวโน้มที่จะต้องใช้คิวบิตจริงจำนวนมากเพื่อสร้างคิวบิตแบบลอจิคัลหนึ่งตัว รหัสแก้ไขข้อผิดพลาดที่นำเสนออื่นๆ ที่มีประสิทธิภาพมากกว่านั้นจำเป็นต้องมีการโต้ตอบในระยะไกลระหว่างคิวบิต ไม่ใช่แค่การจับคู่เพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด ผู้ปฏิบัติงานด้านการคำนวณควอนตัมอะตอมที่เป็นกลางคิดว่าปฏิสัมพันธ์ของ Rydberg ในระยะยาวควรขึ้นอยู่กับภารกิจ “ผมมองโลกในแง่ดีเป็นอย่างยิ่งว่าการทดลองในอีก 2-3 ปีข้างหน้าจะแสดงให้เราเห็นว่าค่าใช้จ่ายไม่จำเป็นต้องเลวร้ายอย่างที่คนอื่นคิด” Lukin กล่าว

แม้ว่าจะยังมีงานที่ต้องทำอีกมาก Steane ถือว่างานของ Harvard เป็น "การเปลี่ยนแปลงขั้นหนึ่งของระดับโปรโตคอลการแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ"

ปั่นออก

ความก้าวหน้าเช่นนี้ทำให้ Rydberg-atom qubits ดึงดูดแม้กระทั่งกับคู่แข่งก็ตาม “การรวมกันของเกตที่มีความเที่ยงตรงสูง จำนวนคิวบิตจำนวนมาก การวัดที่มีความแม่นยำสูง และการเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่น ช่วยให้เราถือว่าอาร์เรย์อะตอม Rydberg เป็นคู่แข่งที่แท้จริงของคิวบิตตัวนำยิ่งยวดและไอออนที่ดักจับ” Steane กล่าว

เมื่อเปรียบเทียบกับคิวบิตตัวนำยิ่งยวด เทคโนโลยีนี้มีค่าใช้จ่ายเพียงเล็กน้อยในการลงทุน กลุ่มฮาร์วาร์ดมีบริษัทที่แยกตัวออกมาชื่อว่า คิวร่าซึ่งได้สร้างโปรเซสเซอร์ควอนตัม Rydberg ขนาด 256 คิวบิตที่เรียกว่า Aquila — “เครื่องจำลองควอนตัม” แบบอะนาล็อก ซึ่งสามารถจำลองสถานการณ์ได้ ระบบอนุภาคควอนตัมจำนวนมาก — พร้อมใช้งานบนคลาวด์โดยความร่วมมือกับแพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ควอนตัม Braket ของ Amazon QuEra ยังทำงานเพื่อพัฒนาการแก้ไขข้อผิดพลาดควอนตัมอีกด้วย

แซฟแมนเข้าร่วมบริษัทชื่อ ความบกพร่องซึ่งกำลังพัฒนาแพลตฟอร์มออปติคัลอะตอมที่เป็นกลางสำหรับเซ็นเซอร์ควอนตัมและการสื่อสาร รวมถึงการประมวลผลควอนตัม “ฉันจะไม่แปลกใจเลยหากหนึ่งในบริษัทไอทีรายใหญ่จะเข้าร่วมเป็นพันธมิตรกับหนึ่งในบริษัทที่แยกออกมาเหล่านี้เร็วๆ นี้” Adams กล่าว

“การแก้ไขข้อผิดพลาดที่ปรับขนาดได้ด้วยคิวบิตอะตอมที่เป็นกลางนั้นเป็นไปได้อย่างแน่นอน” ทอมป์สันกล่าว “ผมคิดว่า 10,000 คิวบิตอะตอมเป็นกลางนั้นเป็นไปได้อย่างชัดเจนภายในไม่กี่ปี” นอกจากนี้ เขาคิดว่าข้อจำกัดในทางปฏิบัติเกี่ยวกับกำลังเลเซอร์และความละเอียดจะจำเป็น การออกแบบโมดูลาร์ ซึ่งมีการเชื่อมโยงอาร์เรย์อะตอมที่แตกต่างกันหลายตัวเข้าด้วยกัน

หากเป็นเช่นนั้นใครจะรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น? “เรายังไม่รู้ด้วยซ้ำว่าเราสามารถทำอะไรกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้บ้าง” Lukin กล่าว “ฉันหวังเป็นอย่างยิ่งว่าความก้าวหน้าใหม่เหล่านี้จะช่วยเราตอบคำถามเหล่านี้ได้”