کامپیوترهای کوانتومی اتم خنثی لحظه‌ای را می‌گذرانند - دنیای فیزیک

در رقابت برای پلتفرم محاسباتی کوانتومی در آینده، اتم‌های خنثی کمی ضعیف بوده‌اند. در حالی که بیت‌های کوانتومی (کیوبیت‌ها) مبتنی بر اتم‌های خنثی دارای چندین ویژگی جذاب هستند، از جمله سهولت در مقیاس‌بندی اعداد کیوبیت و انجام عملیات موازی روی آن‌ها، بیشترین توجه بر روی پلتفرم‌های رقیب متمرکز شده است. بسیاری از بزرگ‌ترین ماشین‌ها با کیوبیت‌های ابررسانا ساخته شده‌اند، از جمله ماشین‌هایی که در آن ساخته شده‌اند آی بی ام, گوگل, آمازونو مایکروسافت. شرکت های دیگر یون ها را انتخاب کرده اند شرکت Honeywell و IonQ، یا فوتون ها، مانند Xanadu.

با این حال، در چند هفته گذشته، چندین تحول چشم نواز، اتم های خنثی را به سمت جلوی بسته سوق داده است. یکی از آنها از یک استارت آپ به نام Atom Computing که اواخر اکتبر اعلام شد که به زودی دارای یک ماشین اتم خنثی 1000 کیوبیت آماده برای مشتریان - اولین دستگاه کوانتومی تجاری که از این نقطه عطف عبور کرد. بقیه از سه تیم محققی بودند که مطالعات جداگانه‌ای را در آن منتشر کردند طبیعت تشریح پلتفرم‌های اتم خنثی با نویز کم، ظرفیت‌های کاهش خطای جدید و پتانسیل قوی برای مقیاس‌بندی حتی تا تعداد بیشتری از کیوبیت‌ها.

برای هر پلتفرم کیوبیت، بزرگترین مانع برای عملیات کوانتومی قوی نویز و خطاهای ناشی از آن است. می‌گوید: «اصلاح خطا واقعاً مرز محاسبات کوانتومی است جف تامپسون، فیزیکدان دانشگاه پرینستون، ایالات متحده که رهبری کرد یکی از سه مطالعه با شروتی پوری از دانشگاه ییل، ایالات متحده "این چیزی است که بین ما ایستاده و در واقع محاسبات مفیدی انجام می دهد."

دلیل اینکه تصحیح خطا بسیار مهم است این است که محاسبات را ممکن می کند حتی اگر سخت افزار زیرین مستعد نویز باشد. رایانه‌های کلاسیک از یک استراتژی ساده تصحیح خطا به نام کد تکرار استفاده می‌کنند: اطلاعات یکسان را چندین بار ذخیره می‌کنند تا اگر در یک بیت خطایی وجود داشته باشد، «رای اکثریت» بیت‌های باقی‌مانده همچنان به مقدار صحیح اشاره می‌کند. الگوریتم‌های تصحیح خطای کوانتومی اساساً نسخه‌های پیچیده‌تری از این هستند، اما قبل از اینکه یک پلتفرم بتواند از آنها بهره‌مند شود، سخت‌افزار آنها باید حداقل الزامات وفاداری را برآورده کند. برای الگوریتم‌های کوانتومی سنتی، قاعده کلی این است که نرخ خطا برای حداقل واحد محاسبات کوانتومی - یک دروازه کوانتومی - باید زیر 1٪ باشد.

پایین آوردن سر و صدا

محققان به رهبری میخائیل لوکین از دانشگاه هاروارد، ایالات متحده، هستند در حال حاضر گزارش که کامپیوتر کوانتومی اتم خنثی آنها این آستانه را برآورده کرده و به نرخ خطای 0.5٪ دست یافته است. آن‌ها با پیاده‌سازی گیت‌های دو کیوبیتی به روشی که توسط تیم‌ها پیشگام بود، به این نقطه عطف رسیدند آلمان و فرانسه، و ماشین آنها، که آنها با همکارانش در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) همسایه توسعه دادند و محاسبات QuEra، به شرح زیر عمل می کند.

ابتدا بخاری از اتم های روبیدیم تا بالای صفر مطلق سرد می شود. سپس، اتم‌های منفرد توسط پرتوهای لیزری متمرکز با تکنیکی به نام موچین نوری گرفته شده و نگه داشته می‌شوند. هر اتم نشان دهنده یک کیوبیت است و صدها اتم در یک آرایه دو بعدی مرتب شده اند. اطلاعات کوانتومی در این کیوبیت ها - صفر یا یک یا برهم نهی کوانتومی این دو - در دو سطح انرژی مختلف اتم های روبیدیم ذخیره می شود.

برای اجرای یک گیت دو کیوبیتی، دو اتم به هم نزدیک می شوند و به طور همزمان توسط لیزر روشن می شوند. روشنایی یکی از الکترون های اتم را به سطح انرژی بالایی که به عنوان حالت ریدبرگ شناخته می شود، ارتقا می دهد. هنگامی که اتم ها در این حالت قرار می گیرند، به راحتی با همسایگان نزدیک خود برهم کنش می کنند و عملیات دروازه را ممکن می سازند.

برای بهبود صحت عملیات، تیم از یک توالی پالس بهینه سازی شده اخیراً توسعه یافته برای برانگیختن دو اتم به حالت Rydberg و بازگرداندن آنها به پایین استفاده کرد. این توالی پالس سریع‌تر از نسخه‌های قبلی است و به اتم‌ها فرصت کمتری برای واپاشی به حالت اشتباه می‌دهد که باعث شکسته شدن محاسبات می‌شود. ترکیب این پیشرفت‌ها با سایر پیشرفت‌های فنی به تیم اجازه داد تا به 99.5 درصد وفاداری برای دروازه‌های دو کیوبیتی برسد.

اگرچه پلتفرم های دیگر به وفاداری های قابل مقایسه ای دست یافته اند، کامپیوترهای کوانتومی اتم خنثی می توانند محاسبات بیشتری را به صورت موازی انجام دهند. در آزمایش خود، لوکین و تیمش گیت دو کیوبیتی خود را به طور همزمان روی 60 کیوبیت به سادگی با روشن کردن آنها با همان پالس لیزر اعمال کردند. لوکین می‌گوید: «این آن را بسیار بسیار خاص می‌کند، زیرا ما می‌توانیم وفاداری بالایی داشته باشیم و می‌توانیم آن را به موازات تنها با یک کنترل جهانی انجام دهیم. هیچ پلتفرم دیگری واقعا نمی تواند این کار را انجام دهد."

پاک کردن خطاها

در حالی که تیم لوکین آزمایش خود را برای رسیدن به آستانه وفاداری برای اعمال طرح‌های تصحیح خطا بهینه‌سازی کردند، تامپسون و پوری به همراه همکارانش در دانشگاه استراسبورگ، فرانسه راهی برای تبدیل انواع خاصی از خطاها به پاک‌کردن پیدا کردند و آنها را به طور کلی از سیستم حذف کردند. . این امر تصحیح این خطاها را بسیار آسان‌تر می‌کند و آستانه اجرای طرح‌های تصحیح خطا را کاهش می‌دهد.

چیدمان تامپسون و پوری شبیه به تیم هاروارد-MIT است، با اتم‌های فوق سرد منفرد در موچین‌های نوری. تفاوت اصلی این است که آنها به جای روبیدیم از اتم های ایتربیوم استفاده کردند. ایتربیوم ساختار سطح انرژی پیچیده‌تری نسبت به روبیدیم دارد که کار با آن را دشوارتر می‌کند، اما گزینه‌های بیشتری برای کدگذاری حالت‌های کوانتومی فراهم می‌کند. در این مورد، محققان «صفر» و «یک» کیوبیت‌های خود را به جای دو سطح انرژی پایین‌تر سنتی، در دو حالت فراپایدار رمزگذاری کردند. اگرچه این حالت‌های فراپایدار طول عمر کوتاه‌تری دارند، اما بسیاری از مکانیسم‌های خطای احتمالی اتم‌ها را از این حالت‌ها خارج کرده و به حالت پایه می‌رسانند، جایی که می‌توان آنها را شناسایی کرد.

توانایی حذف خطاها یک امتیاز بزرگ است. به طور کلاسیک، اگر بیش از نیمی از بیت های یک کد تکراری دارای خطا باشند، اطلاعات اشتباه منتقل می شود. تامپسون توضیح می دهد: "اما با مدل پاک کردن، بسیار قدرتمندتر است، زیرا اکنون می دانم که کدام بیت ها دارای خطا هستند، بنابراین می توانم آنها را از رای اکثریت حذف کنم." "پس تنها چیزی که نیاز دارم این است که یک ذره خوب باقی بماند."

تامپسون و همکارانش به لطف تکنیک تبدیل پاک کردن، توانستند حدود یک سوم خطاها را در زمان واقعی شناسایی کنند. اگرچه وفاداری گیت دو کیوبیتی آنها به میزان 98 درصد کمتر از دستگاه تیم هاروارد-MIT است، تامپسون خاطرنشان می کند که آنها تقریباً 10 برابر کمتر از توان لیزری برای هدایت گیت خود استفاده کردند و افزایش قدرت عملکرد را افزایش می دهد و در عین حال اجازه می دهد. کسری بزرگتر از خطاها شناسایی شوند. تکنیک پاک کردن خطا همچنین آستانه تصحیح خطا را به زیر 000 درصد کاهش می دهد. در سناریویی که تقریباً تمام خطاها به پاک‌سازی تبدیل می‌شوند، که تامپسون می‌گوید باید امکان‌پذیر باشد، آستانه می‌تواند تا 99 درصد باشد.

پاک کردن خطای چندگانه

در یک نتیجه مرتبطمحققان مؤسسه فناوری کالیفرنیا، ایالات متحده (Caltech) نیز خطاها را به پاک کردن تبدیل کردند. ماشین اتم خنثی مبتنی بر استرانسیوم آنها یک نوع محدودتر از کامپیوترهای کوانتومی است که به عنوان شبیه‌ساز کوانتومی شناخته می‌شود: در حالی که آنها می‌توانند اتم‌ها را تا حالت ریدبرگ برانگیزند و برهم‌نهی‌های درهم تنیده بین حالت‌های زمین و ریدبرگ ایجاد کنند، سیستم آنها فقط یک حالت پایه دارد. یعنی نمی توانند اطلاعات کوانتومی را در درازمدت ذخیره کنند.

با این حال، آنها این برهم‌نهی‌های درهم تنیده را با وفاداری بی‌سابقه ایجاد کردند: 99.9%. آنها همچنین یک برهم نهی عظیمی را که نه فقط از دو اتم، بلکه از 26 اتم تشکیل شده بود، ساختند و با پاک کردن برخی از خطاها، صحت انجام این کار را بهبود بخشیدند. می‌گوید: «ما اساساً نشان می‌دهیم که می‌توانید این تکنیک را به‌طور معناداری وارد قلمرو بدن‌های متعدد کنید آدام شاو، دانشجوی دکتری در گروه مانوئل اندرس در Caltech

این سه پیشرفت با هم، قابلیت‌های رایانه‌های کوانتومی اتم خنثی را نشان می‌دهند و محققان می‌گویند ایده‌های آنها را می‌توان در ماشینی ترکیب کرد که حتی بهتر از آنچه تاکنون نشان داده شده است، کار می‌کند. لوکین در پایان می‌گوید: «این واقعیت که همه این آثار با هم ظاهر شدند، کمی نشانه‌ای است که چیز خاصی در راه است.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/