Quantencomputer mit neutralen Atomen haben einen Moment Zeit – Physics World

Im Rennen um die Quantencomputing-Plattform der Zukunft waren neutrale Atome eher ein Außenseiter. Während auf neutralen Atomen basierende Quantenbits (Qubits) mehrere attraktive Eigenschaften aufweisen, darunter die einfache Skalierung der Qubit-Zahlen und die parallele Durchführung von Operationen mit ihnen, konzentrierte sich die meiste Aufmerksamkeit auf konkurrierende Plattformen. Viele der größten Maschinen werden mit supraleitenden Qubits gebaut, darunter auch die, die bei entwickelt wurden IBM, Google, Amazon und Microsoft. Andere Unternehmen haben sich beispielsweise für Ionen entschieden Honeywell und IonQ, oder Photonen, wie Xanadu.

In den letzten Wochen haben jedoch einige auffällige Entwicklungen neutrale Atome an die Spitze gebracht. Einer von ihnen stammte von einem Start-up namens Atom Computing, das Ende Oktober angekündigt dass es bald eine haben wird 1000-Qubit-Neutralatommaschine bereit für Kunden – das erste kommerzielle Quantengerät, das diesen Meilenstein erreicht. Die anderen stammten von drei Forscherteams, die separate Studien veröffentlichten Natur Beschreibung neutraler Atomplattformen mit geringem Rauschen, neuen Fehlerminderungskapazitäten und großem Potenzial für die Skalierung auf eine noch größere Anzahl von Qubits.

Für jede Qubit-Plattform sind Rauschen und die dadurch verursachten Fehler die größten Hindernisse für robuste Quantenoperationen. „Fehlerkorrektur ist wirklich die Grenze des Quantencomputings“, sagt er Jeff Thompson, ein Physiker an der Princeton University, USA, der leitete Eine der drei Studien Zusammen mit Shruti Puri der Yale University, USA. „Es ist die Sache, die zwischen uns steht und tatsächlich nützliche Berechnungen durchführt.“

Der Grund dafür, dass die Fehlerkorrektur so wichtig ist, liegt darin, dass sie Berechnungen auch dann ermöglicht, wenn die zugrunde liegende Hardware anfällig für Rauschen ist. Klassische Computer verwenden eine einfache Fehlerkorrekturstrategie namens Wiederholungscode: Sie speichern dieselben Informationen mehrmals, sodass bei einem Fehler in einem Bit die „Mehrheitsstimme“ der verbleibenden Bits immer noch auf den richtigen Wert zeigt. Quantenfehlerkorrekturalgorithmen sind im Wesentlichen komplexere Versionen davon, aber bevor eine Plattform davon profitieren kann, muss ihre Hardware einige Mindestanforderungen an die Wiedergabetreue erfüllen. Für herkömmliche Quantenalgorithmen gilt als Faustregel, dass die Fehlerrate für die minimale Einheit der Quantenberechnung – ein Quantengatter – unter 1 % liegen sollte.

Den Lärm reduzieren

Forscher angeführt von Mikhail Lukin der Harvard University, USA, sind jetzt berichten dass ihr Quantencomputer mit neutralen Atomen diesen Schwellenwert erreicht hat und eine Fehlerrate von 0.5 % erreicht. Sie erreichten diesen Meilenstein durch die Implementierung von Zwei-Qubit-Gattern auf eine Weise, die von Teams in entwickelt wurde Deutschland und Frankreich, und ihre Maschine, die sie mit Kollegen am benachbarten Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelten und QuEra-Computing, funktioniert wie folgt.

Zunächst wird ein Dampf aus Rubidiumatomen auf knapp über den absoluten Nullpunkt abgekühlt. Anschließend werden einzelne Atome von eng fokussierten Laserstrahlen eingefangen und festgehalten, eine Technik, die als optisches Pinzetten bekannt ist. Jedes Atom stellt ein einzelnes Qubit dar und Hunderte sind in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet. Die Quanteninformation in diesen Qubits – eine Null oder Eins oder eine Quantenüberlagerung aus beiden – wird in zwei unterschiedlichen Energieniveaus der Rubidiumatome gespeichert.

Um ein Zwei-Qubit-Gate durchzuführen, werden zwei Atome einander nahe gebracht und gleichzeitig von einem Laser beleuchtet. Die Beleuchtung befördert eines der Elektronen des Atoms auf ein hohes Energieniveau, das als Rydberg-Zustand bekannt ist. In diesem Zustand interagieren Atome leicht mit ihren nahen Nachbarn, wodurch der Torbetrieb möglich wird.

Um die Genauigkeit des Vorgangs zu verbessern, nutzte das Team eine kürzlich entwickelte optimierte Pulssequenz, um die beiden Atome in den Rydberg-Zustand anzuregen und sie wieder nach unten zu bringen. Diese Pulssequenz ist schneller als frühere Versionen, sodass die Atome weniger wahrscheinlich in den falschen Zustand zerfallen, was die Berechnung zum Scheitern bringen würde. Durch die Kombination mit anderen technischen Verbesserungen konnte das Team eine Genauigkeit von 99.5 % für Zwei-Qubit-Gates erreichen.

Obwohl andere Plattformen eine vergleichbare Genauigkeit erreicht haben, können Quantencomputer mit neutralen Atomen mehr Berechnungen parallel durchführen. In ihrem Experiment wandten Lukin und sein Team ihr Zwei-Qubit-Gate auf 60 Qubits gleichzeitig an, indem sie sie einfach mit demselben Laserpuls beleuchteten. „Das macht es zu etwas ganz Besonderem“, sagt Lukin, „weil wir eine hohe Wiedergabetreue erreichen und dies parallel mit nur einer einzigen globalen Steuerung tun können.“ Keine andere Plattform kann das tatsächlich leisten.“

Fehler löschen

Während Lukins Team ihr Experiment optimierte, um die Genauigkeitsschwelle für die Anwendung von Fehlerkorrekturschemata zu erreichen, fanden Thompson und Puri zusammen mit Kollegen an der Universität Straßburg, Frankreich, eine Möglichkeit, bestimmte Arten von Fehlern in Löschungen umzuwandeln und sie vollständig aus dem System zu entfernen . Dadurch lassen sich diese Fehler viel einfacher korrigieren, wodurch die Schwelle für die Wirksamkeit von Fehlerkorrekturschemata gesenkt wird.

Der Aufbau von Thompson und Puri ähnelt dem des Harvard-MIT-Teams, bei dem einzelne ultrakalte Atome in optischen Pinzetten gehalten werden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass sie Ytterbiumatome anstelle von Rubidium verwendeten. Ytterbium hat eine kompliziertere Energieniveaustruktur als Rubidium, was die Arbeit damit erschwert, aber auch mehr Möglichkeiten zur Kodierung von Quantenzuständen bietet. In diesem Fall kodierten die Forscher „Null“ und „Eins“ ihrer Qubits in zwei metastabilen Zuständen und nicht in den traditionell niedrigsten beiden Energieniveaus. Obwohl diese metastabilen Zustände eine kürzere Lebensdauer haben, würden viele der möglichen Fehlermechanismen dazu führen, dass die Atome aus diesen Zuständen in den Grundzustand gelangen, wo sie nachgewiesen werden können.

Die Möglichkeit, Fehler löschen zu können, ist ein großer Segen. Wenn mehr als die Hälfte der Bits in einem Wiederholungscode fehlerhaft sind, werden klassischerweise falsche Informationen übertragen. „Aber mit dem Löschmodell ist es viel leistungsfähiger, weil ich jetzt weiß, bei welchen Bits ein Fehler aufgetreten ist, sodass ich sie von der Mehrheitsentscheidung ausschließen kann“, erklärt Thompson. „Alles, was ich brauche, ist, dass noch ein gutes Stück übrig bleibt.“

Dank ihrer Löschkonvertierungstechnik konnten Thompson und Kollegen etwa ein Drittel der Fehler in Echtzeit erkennen. Obwohl ihre Zwei-Qubit-Gate-Genauigkeit mit 98 % geringer ist als die der Maschine des Harvard-MIT-Teams, stellt Thompson fest, dass sie fast 10 Mal weniger Laserleistung zum Antrieb ihres Gates verbrauchten und eine Erhöhung der Leistung die Leistung steigern und gleichzeitig ermöglichen wird ein größerer Anteil an Fehlern, die erkannt werden müssen. Die Fehlerlöschtechnik senkt außerdem die Schwelle für die Fehlerkorrektur auf unter 000 %; In einem Szenario, in dem fast alle Fehler in Löschungen umgewandelt werden, was laut Thompson möglich sein sollte, könnte der Schwellenwert bei nur 99 % liegen.

Multiplexfehlerlöschung

In einer entsprechendes ErgebnisForscher des California Institute of Technology, USA (Caltech), wandelten Fehler ebenfalls in Löschungen um. Ihre auf Strontium basierende Neutralatommaschine ist eine eingeschränktere Art von Quantencomputer, der als Quantensimulator bekannt ist: Während sie Atome bis zum Rydberg-Zustand anregen und verschränkte Überlagerungen zwischen dem Grund- und dem Rydberg-Zustand erzeugen können, hat ihr System nur einen Grundzustand. Das bedeutet, dass sie Quanteninformationen nicht langfristig speichern können.

Sie erzeugten diese verschlungenen Überlagerungen jedoch mit einer beispiellosen Genauigkeit: 99.9 %. Sie erstellten außerdem eine riesige Überlagerung, die nicht nur aus zwei, sondern aus 26 Atomen bestand, und verbesserten die Wiedergabetreue, indem sie einige der Fehler löschten. „Wir zeigen im Grunde, dass man diese Technik sinnvoll in den Bereich des Vielteilchens übertragen kann“, sagt er Adam Shaw, ein Doktorand in Gruppe von Manuel Endres am Caltech.

Zusammengenommen demonstrieren die drei Fortschritte die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern mit neutralen Atomen, und die Forscher sagen, dass ihre Ideen zu einer Maschine kombiniert werden können, die noch besser funktioniert als die bisher gezeigten. „Die Tatsache, dass all diese Werke zusammen erschienen, ist ein kleines Zeichen dafür, dass etwas Besonderes bevorsteht“, schließt Lukin.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/