Neutraalsete aatomitega kvantarvutitel on hetk – füüsikamaailm

Võidujooksus tuleviku kvantarvutusplatvormi nimel on neutraalsed aatomid olnud pisut allajäänud. Kui neutraalsetel aatomitel põhinevatel kvantbittidel (kubitidel) on mitmeid atraktiivseid omadusi, sealhulgas kubitiarvude suurendamise ja nendega paralleelsete toimingute tegemise lihtsus, on suurem tähelepanu pööratud konkureerivatele platvormidele. Paljud suurimad masinad on ehitatud ülijuhtivate kubitidega, sealhulgas need, mis on välja töötatud IBM, Google, Amazonja Microsoft. Teised ettevõtted on valinud ioonid, näiteks Honeywell ja IonQvõi footonid, nagu Xanadu.

Viimastel nädalatel on aga mitmed pilkupüüdvad arengud tõuganud neutraalseid aatomeid paki esiosa poole. Üks neist pärines idufirmast nimega Atom Computing, mis teatas oktoobri lõpus et sellel on varsti a 1000-kubitine neutraalse aatomiga masin klientide jaoks valmis – esimene kaubanduslik kvantseade, mis selle verstaposti läbis. Teised pärinesid kolmest teadlaste rühmast, kes avaldasid aastal eraldi uuringud loodus kirjeldades neutraalsete aatomitega platvorme, millel on madal müratase, uued vead leevendavad võimalused ja suur potentsiaal skaleerida veelgi suuremale arvule kubitid.

Mis tahes qubit-platvormi puhul on tugevate kvantoperatsioonide suurimaks takistuseks müra ja selle põhjustatud vead. "Veaparandus on tõesti kvantarvutuse piir," ütleb Jeff Thompson, USA Princetoni ülikooli füüsik, kes juhtis üks kolmest uuringust Koos Shruti Puri Yale'i ülikoolist, USA-st. "See on asi, mis seisab meie vahel ja teeb tegelikult kasulikke arvutusi."

Põhjus, miks veaparandus on nii oluline, on see, et see teeb arvutused võimalikuks isegi siis, kui aluseks olev riistvara on mürale vastuvõtlik. Klassikalised arvutid kasutavad lihtsat veaparandusstrateegiat, mida nimetatakse korduskoodiks: salvestage sama teave mitu korda, nii et kui ühes bitis on viga, osutab ülejäänud bittide häälteenamus ikkagi õigele väärtusele. Kvantveaparandusalgoritmid on sisuliselt selle keerukamad versioonid, kuid enne, kui platvorm neist kasu saab, peab nende riistvara vastama teatud minimaalsetele täpsusnõuetele. Traditsiooniliste kvantalgoritmide puhul kehtib rusikareegel, et kvantarvutuse minimaalse ühiku – kvantvärava – veamäär peaks olema alla 1%.

Müra vähendamine

Teadlased eesotsas Mihhail lukin USA Harvardi ülikoolist nüüd aru andmas et nende neutraalse aatomiga kvantarvuti on selle läve täitnud, saavutades veamäära 0.5%. Nad jõudsid selle verstapostini, rakendades kahe kubiti väravaid viisil, mida meeskonnad on teinud Saksamaa ja Prantsusmaa, and their machine, which they developed with colleagues at the neighbouring Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Quera andmetöötlus, works as follows.

Esiteks jahutatakse rubiidiumiaatomite aur veidi üle absoluutse nulli. Seejärel püütakse kinni üksikud aatomid ja hoitakse neid kinni tihedalt fokuseeritud laserkiirtega, kasutades selleks tehnikat, mida tuntakse optilise pintseldamisena. Iga aatom esindab ühte kubitit ja sajad on paigutatud kahemõõtmelisse massiivi. Nendes kubitites sisalduv kvantinformatsioon – null või üks või nende kahe kvantsuperpositsioon – on salvestatud rubiidiumi aatomite kahele erinevale energiatasemele.

Kahekubiidilise värava teostamiseks viiakse kaks aatomit üksteise lähedale ja valgustatakse samaaegselt laseriga. Valgustus viib ühe aatomi elektroni kõrgele energiatasemele, mida tuntakse Rydbergi olekuna. Selles olekus suhtlevad aatomid kergesti oma lähinaabritega, muutes värava töö võimalikuks.

Operatsiooni täpsuse parandamiseks kasutas meeskond hiljuti välja töötatud optimeeritud impulsside järjestust, et kutsuda kaks aatomit Rydbergi olekusse ja viia need tagasi. See impulsside jada on varasematest versioonidest kiirem, jättes aatomitele väiksema võimaluse laguneda valesse olekusse, mis rikuks arvutuse. Selle kombineerimine muude tehniliste täiustustega võimaldas meeskonnal saavutada kahe qubit väravate täpsus 99.5%.

Kuigi teised platvormid on saavutanud võrreldava täpsuse, saavad neutraalse aatomiga kvantarvutid teha paralleelselt rohkem arvutusi. Oma katses rakendasid Lukin ja tema meeskond oma kahe kubitise värava korraga 60 kubitile, lihtsalt valgustades neid sama laserimpulsiga. "See muudab selle väga-väga eriliseks," ütleb Lukin, "sest meil võib olla kõrge täpsus ja me saame seda teha paralleelselt vaid ühe globaalse kontrolliga. Ükski teine ​​platvorm ei saa seda tegelikult teha.

Vigade kustutamine

Kui Lukini meeskond optimeeris oma katset, et täita veaparandusskeemide rakendamise täpsusläve, leidsid Thompson ja Puri koos kolleegidega Prantsusmaal Strasbourgi ülikoolist viisi, kuidas teatud tüüpi vead kustutada, eemaldades need süsteemist täielikult. . See muudab nende vigade parandamise palju lihtsamaks, alandades veaparandusskeemide toimimise läve.

Thompsoni ja Puri seadistus sarnaneb Harvard-MIT meeskonna omaga, kusjuures üksikud ülikülmad aatomid hoitakse optilistes pintsettides. Peamine erinevus seisneb selles, et nad kasutasid rubiidiumi asemel ütterbiumi aatomeid. Ytterbiumil on keerulisem energiataseme struktuur kui rubiidiumil, mis muudab sellega töötamise keerulisemaks, kuid pakub ka rohkem võimalusi kvantolekute kodeerimiseks. Sel juhul kodeerisid teadlased oma kubiti "null" ja "üks" kahte metastabiilsesse olekusse, mitte traditsioonilisele kahele madalaimale energiatasemele. Kuigi nende metastabiilsete olekute eluiga on lühem, viivad paljud võimalikud veamehhanismid aatomid nendest olekutest välja põhiolekusse, kus neid saab tuvastada.

Vigade kustutamise võimalus on suur õnnistus. Klassikaliselt edastatakse vale teave, kui korduskoodis on rohkem kui pooltel bittidel vigu. "Kuid kustutamismudeliga on see palju võimsam, sest nüüd tean, millistel bittidel on viga olnud, nii et saan need enamuse häältest välja jätta," selgitab Thompson. "Nii et mul on vaja ainult seda, et oleks veel üks hea tükk."

Tänu nende kustutamise teisendamise tehnikale suutsid Thompson ja kolleegid tuvastada umbes kolmandiku vigadest reaalajas. Kuigi nende kahe kubitise värava täpsus 98% on väiksem kui Harvard-MIT meeskonna masinal, märgib Thompson, et nad kasutasid oma värava juhtimiseks peaaegu 10 000 korda vähem laservõimsust ning võimsuse suurendamine suurendab jõudlust, võimaldades samal ajal avastada suurem osa vigadest. Vea kustutamise tehnika alandab ka veaparanduse läve alla 99%; stsenaariumi korral, kus peaaegu kõik vead teisendatakse kustutamisteks, mis Thompsoni sõnul peaks olema võimalik, võib lävi olla nii madal kui 90%.

Multipleksimisvea kustutamine

Aastal seotud tulemus, muutsid USA California Tehnoloogiainstituudi (Caltech) teadlased vead ka kustutusteks. Nende strontsiumipõhine neutraalse aatomi masin on piiratumat tüüpi kvantarvuti, mida tuntakse kvantsimulaatorina: kuigi nad suudavad ergutada aatomeid kuni Rydbergi olekuni ja luua põimunud superpositsioone maa- ja Rydbergi olekute vahel, on nende süsteemil ainult üks põhiolek. mis tähendab, et nad ei suuda kvantteavet pikaajaliselt salvestada.

Kuid nad lõid need põimunud superpositsioonid enneolematu täpsusega: 99.9%. Nad tegid ka tohutu superpositsiooni, mis ei sisaldanud ainult kahte, vaid 26 aatomit, ja parandasid selle tegemise täpsust, kustutades mõned vead. "Põhimõtteliselt näitame, et saate selle tehnika mõttekalt tuua paljude kehade valdkonda, " ütleb Adam Shawaastal doktorant Manuel Endrese rühm Caltechis.

Need kolm edusamme näitavad koos neutraalsete aatomitega kvantarvutite võimeid ja teadlaste sõnul saab nende ideid kombineerida masinaks, mis töötab veelgi paremini kui seni demonstreeritud. "See, et kõik need tööd koos välja tulid, on natuke märk sellest, et tulemas on midagi erilist," võtab Lukin kokku.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/