למחשבים קוונטיים אטומים ניטרליים יש רגע - עולם הפיזיקה

במירוץ אחר פלטפורמת המחשוב הקוונטי של העתיד, אטומים ניטרליים היו קצת אנדרדוג. בעוד שלסיביות קוונטיות (קיוביטים) המבוססים על אטומים ניטרליים יש כמה מאפיינים אטרקטיביים, כולל הקלות בהגדלת מספרי הקיוביטים וביצוע פעולות עליהם במקביל, רוב תשומת הלב התמקדה בפלטפורמות מתחרות. רבות מהמכונות הגדולות בנויות עם קיוביטים מוליכים-על, כולל אלו שפותחו ב יבמ, Google, אמזון בעברית, ו מיקרוסופט. חברות אחרות בחרו ביונים, כמו Honeywell ו IonQ, או פוטונים, כמו Xanadu.

עם זאת, בשבועות האחרונים, כמה התפתחויות מושכות את העין דחפו אטומים ניטרליים לקדמת החפיסה. אחד מהם הגיע מסטארט-אפ בשם Atom Computing, אשר הוכרז בסוף אוקטובר שבקרוב יהיה לו א מכונה בעלת אטומים ניטרליים של 1000 קיוביטים מוכן ללקוחות - המכשיר הקוונטי המסחרי הראשון שעבר את ציון הדרך הזה. האחרים הגיעו משלושה צוותים של חוקרים שפרסמו מחקרים נפרדים ב טבע מתאר פלטפורמות אטום ניטרליות עם רעש נמוך, יכולות הפחתת שגיאות חדשות ופוטנציאל חזק להגדלה למספרים גדולים עוד יותר של קיוביטים.

עבור כל פלטפורמת קיוביט, החסמים הגדולים ביותר בפני פעולות קוונטיות חזקות הם הרעש והשגיאות שהוא גורם. "תיקון שגיאות הוא באמת הגבול של מחשוב קוונטי", אומר ג'ף תומפסון, פיזיקאי באוניברסיטת פרינסטון, ארה"ב שהוביל אחד משלושת המחקרים יחד עם שרוטי פורי מאוניברסיטת ייל, ארה"ב. "זה הדבר שעומד בינינו ולמעשה עושה חישובים שימושיים."

הסיבה שתיקון השגיאות כל כך חשוב היא שהוא מאפשר חישובים גם אם החומרה הבסיסית נוטה לרעש. מחשבים קלאסיים משתמשים באסטרטגיית תיקון שגיאות פשוטה הנקראת קוד חזרה: אחסן את אותו מידע מספר פעמים כך שאם יש שגיאה בביט אחד, "הצבעת הרוב" של הביטים הנותרים עדיין תצביע על הערך הנכון. אלגוריתמים לתיקון שגיאות קוונטיים הם בעצם גרסאות מורכבות יותר של זה, אבל לפני שפלטפורמה יכולה להפיק תועלת מהם, החומרה שלהם חייבת לעמוד בכמה דרישות נאמנות מינימליות. עבור אלגוריתמים קוונטיים מסורתיים, כלל האצבע הוא ששיעור השגיאות עבור היחידה המינימלית של חישוב קוונטי - שער קוונטי - צריך להיות מתחת ל-1%.

מוריד את הרעש

חוקרים בראשות מיכאיל לוקין מאוניברסיטת הרווארד, ארה"ב, הם מדווח כעת שהמחשב הקוונטי הנייטרלי-אטום שלהם עמד ברף הזה, והשיג שיעור שגיאות של 0.5%. הם הגיעו לאבן דרך זו על ידי הטמעת שערים של שני קיוביטים באופן שצוותים חלו בו גרמניה ו צרפת, והמכונה שלהם, שאותה פיתחו עם עמיתים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) הסמוך. QuEra Computing, פועל באופן הבא.

ראשית, אדי של אטומי רובידיום מקורר עד מעט מעל האפס המוחלט. לאחר מכן, אטומים בודדים נלכדים ומוחזקים על ידי קרני לייזר ממוקדות היטב בטכניקה המכונה פינצטה אופטית. כל אטום מייצג קיוביט בודד, ומאות מסודרים במערך דו מימדי. המידע הקוונטי בקיוביטים אלה - אפס או אחד או סופרפוזיציה קוונטית של השניים - מאוחסן בשתי רמות אנרגיה שונות של אטומי רובידיום.

כדי לבצע שער שני קיוביטים, שני אטומים מקרבים זה לזה ומוארים בו זמנית בלייזר. ההארה מקדמת את אחד האלקטרונים של האטום לרמת אנרגיה גבוהה המכונה מצב Rydberg. כשהם במצב זה, אטומים מתקשרים בקלות עם שכניהם הקרובים, מה שמאפשר את פעולת השער.

כדי לשפר את נאמנות הפעולה, הצוות השתמש ברצף פעימות אופטימלי שפותח לאחרונה כדי לרגש את שני האטומים למצב Rydberg ולהוריד אותם בחזרה. רצף הדופק הזה מהיר יותר מגרסאות קודמות, מה שנותן לאטומים פחות סיכוי להתפרק למצב הלא נכון, מה שישבור את החישוב. שילוב זה עם שיפורים טכניים אחרים אפשרו לצוות להגיע ל-99.5% נאמנות עבור שערים של שני קיוביטים.

למרות שפלטפורמות אחרות השיגו נאמנות דומה, מחשבים קוונטיים בעלי אטום ניטרלי יכולים לבצע יותר חישובים במקביל. בניסוי שלהם, לוקין והצוות שלו הפעילו את שער שני הקיוביט שלהם ל-60 קיוביטים בבת אחת פשוט על ידי הארתם באותו פעימת לייזר. "זה עושה את זה מאוד מאוד מיוחד", אומר לוקין, "מכיוון שאנו יכולים להיות בעלי נאמנות גבוהה ואנחנו יכולים לעשות זאת במקביל עם שליטה גלובלית אחת בלבד. אף פלטפורמה אחרת לא יכולה לעשות את זה באמת".

מחיקת שגיאות

בעוד שהצוות של לוקין עשה אופטימיזציה של הניסוי שלהם כדי לעמוד בסף הנאמנות להחלת סכימות תיקון שגיאות, תומפסון ופורי, יחד עם עמיתים באוניברסיטת שטרסבורג, צרפת, מצאו דרך להמיר סוגים מסוימים של שגיאות למחיקות, ולהסיר אותן מהמערכת לחלוטין. . זה הופך את השגיאות הללו להרבה יותר קלות לתיקון, ומוריד את הסף עבור סכימות תיקון שגיאות לעבודה.

ההגדרה של תומפסון ופורי דומה לזו של צוות הרווארד-MIT, עם אטומים אולטרה-קרים בודדים המוחזקים בפינצטה אופטית. ההבדל העיקרי הוא שהם השתמשו באטומי איטרביום במקום רובידיום. לאיטרביום יש מבנה ברמת אנרגיה מסובך יותר מאשר רובידיום, מה שמקשה על העבודה איתו אך גם מספק יותר אפשרויות לקידוד מצבים קוונטיים. במקרה זה, החוקרים קידמו את ה"אפס" וה"אחד" מהקווביטים שלהם בשני מצבים מטא-יציבים, ולא בשתי רמות האנרגיה הנמוכות ביותר. למרות שלמצבים מט-יציבים אלה יש משך חיים קצר יותר, רבים ממנגנוני השגיאה האפשריים יוציאו את האטומים ממצבים אלה אל מצב הקרקע, שם ניתן לזהות אותם.

היכולת למחוק שגיאות היא יתרון גדול. באופן קלאסי, אם ליותר ממחצית הסיביות בקוד החזרה יש שגיאות, המידע השגוי ישודר. "אבל עם מודל המחיקה, זה הרבה יותר חזק כי עכשיו אני יודע באילו סיביות הייתה שגיאה, אז אני יכול להוציא אותם מהצבעת הרוב", מסביר תומפסון. "אז כל מה שאני צריך זה שיישאר קצת טוב אחד."

הודות לטכניקת המרת המחיקה שלהם, תומפסון ועמיתיו הצליחו לזהות כשליש מהשגיאות בזמן אמת. למרות שנאמנות השער של שני קיוביטים של 98% פחותה מזו של המכונה של צוות הרווארד-MIT, תומפסון מציינת שהם השתמשו כמעט פי 10 פחות בכוח הלייזר כדי להניע את השער שלהם, והגדלת הכוח תגביר את הביצועים ובו בזמן גם מאפשרת חלק גדול יותר של שגיאות לגילוי. טכניקת מחיקת השגיאות גם מורידה את סף תיקון השגיאות מתחת ל-000%; בתרחיש שבו כמעט כל השגיאות מומרות למחיקות, שלדבריו תומפסון אמור להיות אפשרי, הסף יכול להיות נמוך עד 99%.

מחיקת שגיאה בריבוי

ב תוצאה קשורה, חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה, ארה"ב (Caltech) המירו גם שגיאות למחיקות. מכונת האטומים הנייטרלית המבוססת על הסטרונציום שלהם היא סוג מוגבל יותר של מחשב קוונטי המכונה סימולטור קוונטי: בעוד שהם יכולים לעורר אטומים עד למצב רידברג וליצור סופרפוזיציות מסובכות בין מצבי הקרקע ורידברג, למערכת שלהם יש רק מצב קרקע אחד, מה שאומר שהם לא יכולים לאחסן מידע קוונטי לטווח ארוך.

עם זאת, הם יצרו את הסופרפוזיציות המסובכות הללו בנאמנות חסרת תקדים: 99.9%. הם גם יצרו סופרפוזיציה ענקית שהורכבה לא רק משני אטומים, אלא מ-26, ושיפרו את הנאמנות לעשות זאת על ידי מחיקת חלק מהשגיאות. "אנחנו בעצם מראים שאתה יכול להביא את הטכניקה הזו בצורה משמעותית לתחום של הגוף הרב", אומר אדם שו, סטודנט לדוקטורט ב הקבוצה של מנואל אנדרס ב-Caltech.

יחד, שלושת ההתקדמות מציגה את היכולות של מחשבים קוונטיים בעלי אטום ניטרלי, והחוקרים אומרים שניתן לשלב את הרעיונות שלהם למכונה שעובדת אפילו טוב יותר מאלה שהוכחו עד כה. "העובדה שכל העבודות האלה יצאו ביחד, זה קצת סימן שמשהו מיוחד עומד לבוא", מסכם לוקין.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/