Neutral-atom kvantecomputere har et øjeblik – Physics World

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Optik badet i grønt og blåt lys — Alle systemer kører: En laserstråle i Jeff Thompsons laboratorium på Princeton University, hvor han og hans kolleger for nylig demonstrerede en ny måde at slette fejl i en neutral-atom kvantecomputer. (Med høflighed: Frank Wojciechowski)

I kapløbet om fremtidens kvantecomputerplatform har neutrale atomer været lidt af en underdog. Mens kvantebits (qubits) baseret på neutrale atomer har flere attraktive egenskaber, herunder letheden ved at opskalere qubittal og udføre operationer på dem parallelt, har den meste opmærksomhed fokuseret på rivaliserende platforme. Mange af de største maskiner er bygget med superledende qubits, inklusive dem der er udviklet på IBM, Google, Amazonog microsoft. Andre virksomheder har valgt ioner, som f.eks Honeywell , IonQ, eller fotoner, som Xanadu.

I de seneste par uger har adskillige iøjnefaldende udviklinger dog skubbet neutrale atomer mod forsiden af flokken. En af dem kom fra en start-up kaldet Atom Computing, som annonceret i slutningen af oktober at den snart vil have en 1000-qubit neutral-atom maskine klar til kunder – den første kommercielle kvanteenhed, der passerede denne milepæl. De andre kom fra tre hold af forskere, der publicerede separate undersøgelser i Natur beskriver neutral-atom platforme med lav støj, nye fejlbegrænsende kapaciteter og et stærkt potentiale for opskalering til endnu større antal qubits.

For enhver qubit-platform er de største barrierer for robuste kvanteoperationer støj og de fejl, det forårsager. "Fejlkorrektion er virkelig grænsen for kvanteberegning," siger Jeff Thompson, en fysiker ved Princeton University, USA, der ledede en af de tre undersøgelser Sammen med Shruti Puri fra Yale University, USA. "Det er den ting, der står imellem os og faktisk laver nyttige beregninger."

Grunden til, at fejlkorrektion er så vigtig, er, at den gør beregninger mulige, selvom den underliggende hardware er tilbøjelig til støj. Klassiske computere bruger en simpel fejlkorrektionsstrategi kaldet en gentagelseskode: Gem den samme information flere gange, så hvis der er en fejl i en bit, vil "flertallets stemme" af de resterende bits stadig pege på den korrekte værdi. Kvantefejlkorrektionsalgoritmer er i det væsentlige mere komplekse versioner af dette, men før en platform kan drage fordel af dem, skal deres hardware opfylde nogle minimale troskabskrav. For traditionelle kvantealgoritmer er tommelfingerreglen, at fejlprocenten for den mindste kvanteberegningsenhed – en kvanteport – skal være under 1 %.

At dæmpe støjen

Forskere ledet af Mikhail Lukin fra Harvard University, USA, er rapporterer nu at deres neutral-atom kvantecomputer har nået den tærskel og opnået en fejlrate på 0.5%. De nåede denne milepæl ved at implementere to-qubit-gates på en måde, der var pioneret af teams i Tyskland , Fransk vin, og deres maskine, som de udviklede sammen med kolleger på det nærliggende Massachusetts Institute of Technology (MIT) og QuEra Computing, fungerer som følger.

Først afkøles en damp af rubidiumatomer til lige over det absolutte nulpunkt. Derefter fanges individuelle atomer og fastholdes af stramt fokuserede laserstråler i en teknik kendt som optisk tweezing. Hvert atom repræsenterer en enkelt qubit, og hundredvis er arrangeret i et todimensionelt array. Kvanteinformationen i disse qubits - et nul eller en eller en kvantesuperposition af de to - er lagret i to forskellige energiniveauer af rubidium-atomerne.

For at udføre en to-qubit-port bringes to atomer nær hinanden og belyses samtidigt af en laser. Belysningen fremmer en af atomets elektroner til et højt energiniveau kendt som en Rydberg-tilstand. Når først de er i denne tilstand, interagerer atomer let med deres nære naboer, hvilket gør portoperationen mulig.

For at forbedre operationens pålidelighed brugte holdet en nyligt udviklet optimeret pulssekvens til at excitere de to atomer til Rydberg-tilstanden og bringe dem ned igen. Denne pulssekvens er hurtigere end tidligere versioner, hvilket giver atomerne mindre chance for at henfalde til den forkerte tilstand, hvilket ville bryde beregningen. Kombinationen af dette med andre tekniske forbedringer gjorde det muligt for teamet at nå 99.5 % troskab for to-qubit-gates.

Selvom andre platforme har opnået sammenlignelige troskaber, kan neutral-atom kvantecomputere udføre flere beregninger parallelt. I deres eksperiment anvendte Lukin og hans team deres to-qubit-gate til 60 qubits på én gang blot ved at belyse dem med den samme laserpuls. "Dette gør det meget, meget specielt," siger Lukin, "fordi vi kan have high fidelities, og vi kan gøre det parallelt med kun en enkelt global kontrol. Ingen anden platform kan faktisk gøre det."

Sletning af fejl

En kunstners tegning af fem kugler i en linje. Kuglerne repræsenterer atomer; fire af atomerne er gule, mens et af dem lyser lyserødt — Ulige atom ud: Ved at finde en måde at identificere atomer i den "forkerte" tilstand og slette dem fra systemet, har forskere ved Princeton, Yale og Caltech vist, hvordan man kan gøre kvanteoperationer mere effektive i neutrale atommaskiner. (Med høflighed: Caltech/Lance Hayashida)

Mens Lukins team optimerede deres eksperiment for at opfylde troskabstærsklen for at anvende fejlkorrektionsskemaer, fandt Thompson og Puri sammen med kolleger ved universitetet i Strasbourg, Frankrig, en måde at konvertere visse typer fejl til sletninger og fjerne dem fra systemet helt . Dette gør disse fejl meget nemmere at rette, hvilket sænker tærsklen for, at fejlkorrektionsskemaer fungerer.

Thompson og Puris opsætning svarer til Harvard-MIT-teamet med individuelle ultrakolde atomer holdt i en optisk pincet. Den største forskel er, at de brugte ytterbium-atomer i stedet for rubidium. Ytterbium har en mere kompliceret energiniveaustruktur end rubidium, hvilket gør det sværere at arbejde med, men også giver flere muligheder for at indkode kvantetilstande. I dette tilfælde kodede forskerne "nul" og "en" af deres qubits i to metastabile tilstande snarere end de traditionelle laveste to energiniveauer. Selvom disse metastabile tilstande har kortere levetider, ville mange af de mulige fejlmekanismer støde atomerne ud af disse tilstande og ind i grundtilstanden, hvor de kan detekteres.

At kunne slette fejl er en stor fordel. Klassisk, hvis mere end halvdelen af bits i en gentagelseskode har fejl, vil den forkerte information blive transmitteret. "Men med slettemodellen er den meget mere kraftfuld, fordi nu ved jeg, hvilke bits der har haft en fejl, så jeg kan udelukke dem fra flertalsafstemningen," forklarer Thompson. "Så alt, hvad jeg behøver, er, at der er en god smule tilbage."

Takket være deres slettekonverteringsteknik var Thompson og kolleger i stand til at opdage omkring en tredjedel af fejlene i realtid. Selvom deres to-qubit gate-fidelity på 98 % er mindre end Harvard-MIT-teamets maskine, bemærker Thompson, at de brugte næsten 10 gange mindre laserkraft til at drive deres gate, og at øge strømmen vil booste ydeevnen og samtidig tillade en større brøkdel af fejl, der skal opdages. Fejlsletningsteknikken sænker også tærsklen for fejlkorrektion til under 000 %; i et scenarie, hvor næsten alle fejl konverteres til sletninger, hvilket Thompson siger burde være muligt, kunne tærsklen være så lav som 99 %.

Multiplexing fejl sletning

I en relateret resultat, konverterede forskere ved California Institute of Technology, USA (Caltech) også fejl til sletninger. Deres strontium-baserede neutrale atommaskine er en mere begrænset form for kvantecomputer kendt som en kvantesimulator: mens de kan excitere atomer op til Rydberg-tilstanden og skabe sammenfiltrede superpositioner mellem jord- og Rydberg-tilstande, har deres system kun én grundtilstand, hvilket betyder, at de ikke kan lagre kvanteinformation på lang sigt.

Ny neutral-atom qubit tilbyder fordele til kvanteberegning

Imidlertid skabte de disse sammenfiltrede superpositioner med hidtil uset troskab: 99.9%. De lavede også en enorm superposition bestående af ikke kun to atomer, men 26, og forbedrede pålideligheden ved at slette nogle af fejlene. "Vi viser dybest set, at du meningsfuldt kunne bringe denne teknik ind i mange-kroppens rige," siger Adam Shaw, ph.d.-studerende i Manuel Endres' gruppe hos Caltech.

Sammen viser de tre fremskridt evnerne hos neutral-atom kvantecomputere, og forskerne siger, at deres ideer kan kombineres til en maskine, der fungerer endnu bedre end dem, der er demonstreret indtil videre. "Det faktum, at alle disse værker kom ud sammen, er lidt af et tegn på, at noget særligt er ved at komme," slutter Lukin.