A semleges atomos kvantumszámítógépeknek van egy pillanata – a fizika világa

A jövő kvantumszámítási platformjáért folytatott versenyben a semleges atomok kissé alulmaradtak. Míg a semleges atomokon alapuló kvantumbitek (qubitek) számos vonzó tulajdonsággal rendelkeznek, beleértve a qubit számok egyszerű felskálázását és a velük párhuzamos műveletek végrehajtását, a legtöbb figyelem a rivális platformokra összpontosult. A legnagyobb gépek közül sok szupravezető qubittel készül, beleértve azokat is, amelyeket a következő helyen fejlesztettek ki IBM, Google, amazonés microsoft. Más cégek az ionok mellett döntöttek, mint pl Honeywell és a Ionq, vagy fotonok, mint pl Xanadu.

Az elmúlt hetekben azonban számos figyelemfelkeltő fejlemény a semleges atomokat a csomag eleje felé tolta. Az egyik az Atom Computing nevű start-uptól származott, amely október végén jelentették be hogy hamarosan lesz a 1000 qubites semleges atomos gép készen áll az ügyfelek számára – az első olyan kereskedelmi kvantumeszköz, amely átment ezen a mérföldkőn. A többiek három kutatócsoporttól származtak, akik külön tanulmányokat publikáltak ben Természet semleges atomos platformok leírása alacsony zajszinttel, új hibacsökkentő kapacitással és nagy lehetőséggel a még nagyobb számú qubitre való felskálázásra.

Bármely qubit platform esetében a robusztus kvantumműveletek legnagyobb akadálya a zaj és az általa okozott hibák. „A hibajavítás valóban a kvantumszámítás határterülete” – mondja Jeff Thompson, az egyesült államokbeli Princeton Egyetem fizikusa, aki vezette a három tanulmány egyike Együtt Shruti Puri a Yale Egyetemen, Egyesült Államokban. „Ez az, ami köztünk áll, és valójában hasznos számításokat végez.”

A hibajavítás olyan fontos oka, hogy lehetővé teszi a számításokat még akkor is, ha a mögöttes hardver hajlamos a zajra. A klasszikus számítógépek egy egyszerű hibajavítási stratégiát használnak, amelyet ismétlési kódnak neveznek: ugyanazt az információt többször tárolják, így ha egy bitben hiba van, a fennmaradó bitek „többségi szavazata” továbbra is a helyes értékre mutat. A kvantumhibajavító algoritmusok lényegében ennek összetettebb változatai, de mielőtt egy platform hasznot húzhat belőlük, hardverüknek meg kell felelnie néhány minimális hűségkövetelménynek. A hagyományos kvantumalgoritmusok esetében az ökölszabály az, hogy a kvantumszámítás minimális egysége – a kvantumkapu – hibaaránya 1% alatti legyen.

A zaj csökkentése

Kutatók által vezetett Mihail Lukin az amerikai Harvard Egyetemen most tudósít hogy semleges atomos kvantumszámítógépük elérte ezt a küszöböt, és 0.5%-os hibaarányt ért el. Ezt a mérföldkövet úgy érték el, hogy a csapatok által úttörő módon két qubites kaput vezettek be Németország és a Franciaország, és a gépük, amelyet a szomszédos Massachusetts Institute of Technology (MIT) munkatársaival, ill. Quera Computing, a következőképpen működik.

Először a rubídium atomok gőzét az abszolút nulla fölé hűtik. Ezután az egyes atomokat szorosan fókuszált lézersugarak rögzítik és tartják az optikai csipeszként ismert technikával. Minden atom egyetlen qubitet képvisel, és több száz kétdimenziós tömbbe rendeződik. A kvantuminformáció ezekben a qubitekben – nulla vagy egy vagy a kettő kvantum-szuperpozíciója – a rubídium atomok két különböző energiaszintjén tárolódik.

A két qubites kapu végrehajtásához két atomot közelítenek egymáshoz, és egyidejűleg lézerrel megvilágítják őket. A megvilágítás az atom egyik elektronját magas energiaszintre emeli, amelyet Rydberg-állapotnak neveznek. Ebben az állapotban az atomok könnyen kölcsönhatásba lépnek közeli szomszédaikkal, lehetővé téve a kapu működését.

A művelet hűségének javítása érdekében a csapat egy nemrég kifejlesztett optimalizált impulzussorozatot használt a két atom Rydberg-állapotba való gerjesztésére és visszaállítására. Ez az impulzussorozat gyorsabb, mint a korábbi verziók, így az atomok kevesebb esélyt adnak arra, hogy rossz állapotba bomlanak, ami megszakítaná a számítást. Ezt más technikai fejlesztésekkel kombinálva a csapat elérte a 99.5%-os pontosságot a két qubites kapuknál.

Bár más platformok is hasonló pontosságot értek el, a semleges atomos kvantumszámítógépek párhuzamosan több számítást is végezhetnek. Kísérletükben Lukin és csapata két qubites kapuját egyszerre 60 qubitre alkalmazta, egyszerűen ugyanazzal a lézerimpulzussal megvilágítva. „Ez nagyon-nagyon különlegessé teszi – mondja Lukin –, mert nagy pontosságúak lehetnek, és ezt párhuzamosan is megtehetjük egyetlen globális vezérléssel. Egyetlen másik platform sem képes erre.”

Hibák törlése

Míg Lukin csapata úgy optimalizálta kísérletét, hogy megfeleljen a hibajavító sémák alkalmazásának hűségküszöbének, Thompson és Puri a francia Strasbourgi Egyetem munkatársaival együtt megtalálták a módját, hogy bizonyos típusú hibákat törlésekké alakítsanak át, és teljesen eltávolítsák őket a rendszerből. . Ez megkönnyíti a hibák kijavítását, csökkentve a hibajavító sémák működésének küszöbét.

Thompson és Puri beállítása hasonló a Harvard-MIT csapatéhoz, az egyes ultrahideg atomokat optikai csipeszben tartják. A fő különbség az, hogy a rubídium helyett itterbium atomokat használtak. Az itterbium energiaszintű szerkezete bonyolultabb, mint a rubídium, ami megnehezíti a vele való munkát, ugyanakkor több lehetőséget biztosít a kvantumállapotok kódolására. Ebben az esetben a kutatók a „nulla” és az „egy” qubitjét két metastabil állapotba kódolták, nem pedig a hagyományos két legalacsonyabb energiaszintet. Bár ezeknek a metastabil állapotoknak rövidebb az élettartama, sok lehetséges hibamechanizmus kiüti az atomokat ezekből az állapotokból az alapállapotba, ahol kimutathatók.

A hibák törlésének lehetősége nagy áldás. Klasszikusan, ha egy ismétlési kód bitjeinek több mint fele hibás, akkor rossz információ kerül továbbításra. „A törlési modellnél azonban sokkal erősebb, mert most már tudom, hogy melyik biteknél volt hiba, így kizárhatom őket a többségi szavazásból” – magyarázza Thompson. "Szóval csak annyi kell, hogy maradjon egy jó darab."

Törléskonverziós technikájuknak köszönhetően Thompson és munkatársai a hibák körülbelül egyharmadát tudták valós időben észlelni. Bár a két qubites kapu 98%-os hűsége kisebb, mint a Harvard-MIT csapat gépének, Thompson megjegyzi, hogy csaknem 10 000-szer kevesebb lézerteljesítményt használtak a kapu meghajtására, és a teljesítmény növelése növeli a teljesítményt, miközben lehetővé teszi. a hibák nagyobb hányada észlelhető. A hibatörlési technika a hibajavítási küszöböt is 99% alá csökkenti; egy olyan forgatókönyvben, amelyben szinte minden hiba törléssé alakul, aminek Thompson szerint lehetségesnek kell lennie, a küszöb akár 90% is lehet.

Multiplexelési hiba törlése

egy kapcsolódó eredmény, a California Institute of Technology (Caltech) kutatói a hibákat is törlésekké alakították át. A stroncium alapú semleges atomgépük egy szűkebb fajta kvantumszámítógép, amit kvantumszimulátorként ismernek: miközben képesek atomokat gerjeszteni a Rydberg-állapotig, és szuperpozíciókat létrehozni az alap- és Rydberg-állapotok között, rendszerüknek csak egy alapállapota van. ami azt jelenti, hogy nem tudják hosszú távon tárolni a kvantuminformációkat.

Ezeket a szövevényes szuperpozíciókat azonban soha nem látott hűséggel hozták létre: 99.9%. Egy hatalmas szuperpozíciót is készítettek, amely nemcsak két atomból állt, hanem 26-ból, és javították ennek hűségét azáltal, hogy töröltek néhány hibát. „Alapvetően azt mutatjuk be, hogy ezt a technikát értelmesen be lehet vinni a soktest birodalmába” – mondja Adam Shaw, PhD hallgató in Manuel Endres csoportja a Caltechnél.

A három fejlesztés együtt mutatja meg a semleges atomos kvantumszámítógépek képességeit, és a kutatók szerint ötleteik egy olyan géppé kombinálhatók, amely még az eddigieknél is jobban működik. „Az a tény, hogy ezek az alkotások együtt jelentek meg, egy kicsit annak a jele, hogy valami különleges készülődik” – összegzi Lukin.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/