Квантові комп’ютери з нейтральними атомами переживають момент – Physics World

У змаганнях за квантову обчислювальну платформу майбутнього нейтральні атоми трохи програли. Хоча квантові біти (кубіти), засновані на нейтральних атомах, мають кілька привабливих характеристик, включаючи легкість збільшення кількості кубітів і виконання операцій над ними паралельно, найбільша увага зосереджена на конкуруючих платформах. Багато з найбільших машин побудовані з надпровідними кубітами, включно з тими, які були розроблені в IBM, Google, Amazon та Microsoft. Інші компанії зробили вибір на користь іонів Honeywell та IonQ, або фотони, наприклад Xanadu.

Однак за останні кілька тижнів кілька привабливих подій висунули нейтральні атоми на передню частину упаковки. Один із них прийшов із стартапу під назвою Atom Computing, який оголошено наприкінці жовтня що він скоро матиме a 1000-кубітна машина з нейтральними атомами Готовий для клієнтів – перший комерційний квантовий пристрій, який подолав цю віху. Інші прийшли від трьох команд дослідників, які опублікували окремі дослідження в природа описує платформи з нейтральними атомами з низьким рівнем шуму, новими можливостями пом’якшення помилок і великим потенціалом для масштабування до ще більшої кількості кубітів.

Для будь-якої кубітної платформи найбільшими перешкодами для надійних квантових операцій є шум і помилки, які він викликає. «Виправлення помилок — це справді передовий рубіж квантових обчислень», — каже Джефф Томпсон, фізик Прінстонського університету, США, який очолював одне з трьох досліджень Разом з Шруті Пурі Єльського університету, США. «Це те, що стоїть між нами і фактично виконує корисні розрахунки».

Причина, по якій виправлення помилок настільки важливе, полягає в тому, що воно робить обчислення можливими, навіть якщо базове обладнання схильне до шуму. Класичні комп’ютери використовують просту стратегію виправлення помилок, яка називається кодом повторення: зберігайте ту саму інформацію кілька разів, щоб у разі помилки в одному біті «більшість голосів» решти бітів усе одно вказувала на правильне значення. Алгоритми квантової корекції помилок є, по суті, більш складними версіями цього, але перш ніж платформа зможе отримати від них користь, їх апаратне забезпечення має відповідати деяким мінімальним вимогам до точності. Для традиційних квантових алгоритмів емпіричне правило полягає в тому, що рівень помилок для мінімальної одиниці квантового обчислення – квантового вентиля – має бути нижче 1%.

Зниження шуму

Дослідники під керівництвом о Михайло Лукін Гарвардського університету, США, є зараз звітує що їхній квантовий комп’ютер із нейтральними атомами досяг цього порогу, досягнувши рівня помилок у 0.5%. Вони досягли цієї віхи, реалізувавши двокубітні ворота у спосіб, вперше розроблений командами в Німеччина та Франція, і їхня машина, яку вони розробили з колегами з сусіднього Массачусетського технологічного інституту (MIT), працює наступним чином.

Спочатку пара атомів рубідію охолоджується трохи вище абсолютного нуля. Потім окремі атоми захоплюються та утримуються щільно сфокусованими лазерними променями за допомогою техніки, відомої як оптичний пінцет. Кожен атом представляє один кубіт, а сотні розташовані в двовимірному масиві. Квантова інформація в цих кубітах – нуль або одиниця або квантова суперпозиція двох – зберігається на двох різних рівнях енергії атомів рубідію.

Щоб створити двокубітний затвор, два атоми наближаються один до одного й одночасно освітлюються лазером. Освітлення сприяє переведенню одного з електронів атома на високий енергетичний рівень, відомий як стан Рідберга. Опинившись у цьому стані, атоми легко взаємодіють зі своїми найближчими сусідами, роблячи роботу воріт можливою.

Щоб підвищити точність операції, команда використала нещодавно розроблену оптимізовану послідовність імпульсів для збудження двох атомів до стану Рідберга та повернення їх назад. Ця послідовність імпульсів є швидшою, ніж попередні версії, що дає атомам менше шансів розпаду в неправильний стан, який може порушити обчислення. Поєднання цього з іншими технічними вдосконаленнями дозволило команді досягти 99.5% точності для двокубітних вентилів.

Хоча інші платформи досягли порівнянної точності, квантові комп’ютери з нейтральними атомами можуть виконувати більше обчислень паралельно. У своєму експерименті Лукін і його команда застосували свій двокубітовий затвор до 60 кубітів одночасно, просто висвітливши їх тим самим лазерним імпульсом. «Це робить його дуже, дуже особливим, — каже Лукін, — тому що ми можемо мати високу точність і робити це паралельно лише з одним глобальним контролем. Жодна інша платформа насправді не може цього зробити».

Стирання помилок

Поки команда Лукіна оптимізувала свій експеримент, щоб відповідати порогу точності для застосування схем виправлення помилок, Томпсон і Пурі разом із колегами зі Страсбурзького університету, Франція, знайшли спосіб перетворити певні типи помилок на стирання, повністю видаливши їх із системи. . Це значно полегшує виправлення цих помилок, знижуючи поріг для роботи схем виправлення помилок.

Установка Томпсона та Пурі подібна до команди Гарвардського технологічного інституту з окремими ультрахолодними атомами, які утримуються в оптичному пінцеті. Основна відмінність полягає в тому, що вони використовували атоми ітербію замість рубідію. Ітербій має більш складну структуру енергетичного рівня, ніж рубідій, що ускладнює роботу з ним, але також надає більше можливостей для кодування квантових станів. У цьому випадку дослідники закодували «нуль» і «одиницю» своїх кубітів у двох метастабільних станах, а не в традиційних двох найнижчих рівнях енергії. Хоча ці метастабільні стани мають менший час життя, багато з можливих механізмів помилок можуть вивести атоми з цих станів у основний стан, де їх можна буде виявити.

Можливість видаляти помилки є великою перевагою. Зазвичай, якщо більше половини бітів у коді повторення мають помилки, буде передана неправильна інформація. «Але з моделлю стирання це набагато потужніше, тому що тепер я знаю, які біти мали помилку, тож я можу виключити їх із більшості голосів», — пояснює Томпсон. «Тож все, що мені потрібно, це щоб залишився один добрий шматочок».

Завдяки своїй техніці перетворення стирання Томпсон і його колеги змогли виявити приблизно третину помилок у реальному часі. Хоча точність двокубітного затвора на 98% нижча, ніж у машини команди Гарвардського технологічного інституту, Томпсон зазначає, що вони використовували майже в 10 000 разів менше потужності лазера для керування своїм затвором, і збільшення потужності підвищить продуктивність, а також дозволить більшу частку помилок, які потрібно виявити. Техніка стирання помилок також знижує поріг для виправлення помилок нижче 99%; у сценарії, де майже всі помилки перетворюються на стирання, що, за словами Томпсона, має бути можливим, поріг може становити лише 90%.

Стирання помилок мультиплексування

В відповідний результат, дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту США (Caltech) також перетворили помилки на стирання. Їхня машина для нейтральних атомів на основі стронцію є більш обмеженим типом квантового комп’ютера, відомого як квантовий симулятор: хоча вони можуть збуджувати атоми до стану Рідберга та створювати заплутані суперпозиції між основним і станом Рідберга, їхня система має лише один основний стан, це означає, що вони не можуть довгостроково зберігати квантову інформацію.

Новий кубіт із нейтральним атомом пропонує переваги для квантових обчислень

Однак вони створили ці заплутані суперпозиції з безпрецедентною точністю: 99.9%. Вони також створили величезну суперпозицію, яка складається не лише з двох атомів, а з 26, і покращили точність цього, стерши деякі помилки. «По суті, ми показуємо, що ви можете впровадити цю техніку в сферу багатьох тіл», — каже Адам Шоу, аспірантка в Група Мануеля Ендреса в Каліфорнійському технологічному інституті.

Разом ці три досягнення демонструють можливості квантових комп’ютерів з нейтральними атомами, і дослідники кажуть, що їхні ідеї можна об’єднати в машину, яка працює навіть краще, ніж продемонстровані досі. «Те, що всі ці роботи вийшли разом, це певний знак того, що ось-ось буде щось особливе», — підсумовує Лукін.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/