Nøytral-atom kvantedatamaskiner har et øyeblikk – Physics World

I kappløpet om fremtidens kvanteberegningsplattform har nøytrale atomer vært litt av en underdog. Mens kvantebiter (qubits) basert på nøytrale atomer har flere attraktive egenskaper, inkludert det enkle å skalere opp qubittall og utføre operasjoner på dem parallelt, har mest oppmerksomhet fokusert på rivaliserende plattformer. Mange av de største maskinene er bygget med superledende qubits, inkludert de som er utviklet på IBM, Google, Amazonog Microsoft. Andre selskaper har valgt ioner, som Honeywell og IonQ, eller fotoner, som Xanadu.

I løpet av de siste ukene har imidlertid flere iøynefallende utviklinger presset nøytrale atomer mot fronten av flokken. En av dem kom fra en oppstart kalt Atom Computing, som annonsert i slutten av oktober at den snart vil ha en 1000-qubit nøytral-atom maskin klar for kunder – den første kommersielle kvanteenheten som passerte denne milepælen. De andre kom fra tre team av forskere som publiserte separate studier i Natur beskriver nøytral-atom-plattformer med lav støy, nye feilreduserende kapasiteter og sterkt potensial for oppskalering til enda større antall qubits.

For enhver qubit-plattform er de største barrierene for robuste kvanteoperasjoner støy og feilene den forårsaker. "Feilretting er virkelig grensen for kvanteberegning," sier Jeff Thompson, en fysiker ved Princeton University, USA som ledet en av de tre studiene Sammen med Shruti Puri ved Yale University, USA. "Det er tingen som står i mellom oss og faktisk gjør nyttige beregninger."

Grunnen til at feilretting er så viktig er at det gjør beregninger mulig selv om den underliggende maskinvaren er utsatt for støy. Klassiske datamaskiner bruker en enkel feilrettingsstrategi kalt en repetisjonskode: lagre den samme informasjonen flere ganger slik at hvis det er en feil i en bit, vil "flertallets avstemning" av de gjenværende bitene fortsatt peke på riktig verdi. Kvantefeilkorrigeringsalgoritmer er i hovedsak mer komplekse versjoner av dette, men før en plattform kan dra nytte av dem, må maskinvaren deres oppfylle noen minimale troskapskrav. For tradisjonelle kvantealgoritmer er tommelfingerregelen at feilraten for minimumsenheten for kvanteberegning – en kvanteport – skal være under 1 %.

Får ned støyen

Forskere ledet av Mikhail Lukin fra Harvard University, USA, er melder nå at deres nøytral-atom kvantedatamaskin har nådd den terskelen, og oppnådd en feilrate på 0.5 %. De nådde denne milepælen ved å implementere to-qubit-porter på en måte som ble utviklet av team i Tyskland og Frankrike, og maskinen deres, som de utviklet sammen med kolleger ved det nærliggende Massachusetts Institute of Technology (MIT) og QuEra Computing, fungerer som følger.

Først avkjøles en damp av rubidiumatomer til like over absolutt null. Deretter fanges individuelle atomer opp og holdes av tett fokuserte laserstråler i en teknikk kjent som optisk tweezing. Hvert atom representerer en enkelt qubit, og hundrevis er ordnet i en todimensjonal matrise. Kvanteinformasjonen i disse qubitene - en null eller en eller en kvantesuperposisjon av de to - er lagret i to forskjellige energinivåer av rubidiumatomene.

For å utføre en to-qubit-port bringes to atomer nær hverandre og belyses samtidig av en laser. Belysningen fremmer et av atomets elektroner til et høyt energinivå kjent som en Rydberg-tilstand. Når de først er i denne tilstanden, samhandler atomer lett med sine nærmeste naboer, noe som gjør portoperasjonen mulig.

For å forbedre driftsikkerheten brukte teamet en nylig utviklet, optimalisert pulssekvens for å spennende de to atomene til Rydberg-tilstanden og bringe dem ned igjen. Denne pulssekvensen er raskere enn tidligere versjoner, og gir atomene mindre sjanse til å forfalle til feil tilstand, noe som ville bryte beregningen. Ved å kombinere dette med andre tekniske forbedringer kunne teamet nå 99.5 % troskap for to-qubit-porter.

Selv om andre plattformer har oppnådd sammenlignbare nøyaktigheter, kan nøytral-atom kvantedatamaskiner gjøre flere beregninger parallelt. I eksperimentet deres brukte Lukin og teamet hans to-qubit-porten sin på 60 qubits på en gang, ganske enkelt ved å belyse dem med den samme laserpulsen. "Dette gjør det veldig, veldig spesielt," sier Lukin, "fordi vi kan ha høy troverdighet og vi kan gjøre det parallelt med bare en enkelt global kontroll. Ingen annen plattform kan faktisk gjøre det.»

Sletting av feil

Mens Lukins team optimaliserte eksperimentet sitt for å møte troskapsterskelen for å bruke feilrettingsskjemaer, fant Thompson og Puri, sammen med kolleger ved universitetet i Strasbourg, Frankrike, en måte å konvertere visse typer feil til slettinger, og fjerne dem helt fra systemet . Dette gjør disse feilene mye lettere å rette, og senker terskelen for at feilrettingsskjemaer skal fungere.

Thompson og Puris oppsett ligner på Harvard-MIT-teamet, med individuelle ultrakalde atomer holdt i en optisk pinsett. Hovedforskjellen er at de brukte ytterbium-atomer i stedet for rubidium. Ytterbium har en mer komplisert energinivåstruktur enn rubidium, noe som gjør det vanskeligere å jobbe med, men også gir flere muligheter for å kode kvantetilstander. I dette tilfellet kodet forskerne "null" og "en" av deres qubits i to metastabile tilstander, i stedet for de tradisjonelle laveste to energinivåene. Selv om disse metastabile tilstandene har kortere levetid, ville mange av de mulige feilmekanismene støte atomene ut av disse tilstandene og inn i grunntilstanden, hvor de kan oppdages.

Å kunne slette feil er en stor fordel. Klassisk, hvis mer enn halvparten av bitene i en repetisjonskode har feil, vil feil informasjon bli overført. "Men med slettemodellen er den mye kraftigere fordi nå vet jeg hvilke biter som har hatt en feil, så jeg kan ekskludere dem fra flertallet," forklarer Thompson. "Så alt jeg trenger er at det er en god bit igjen."

Takket være deres slettekonverteringsteknikk, var Thompson og kollegene i stand til å oppdage omtrent en tredjedel av feilene i sanntid. Selv om deres to-qubit-gatefidelitet på 98 % er mindre enn Harvard-MIT-teamets maskin, bemerker Thompson at de brukte nesten 10 000 ganger mindre laserkraft for å drive porten, og å øke kraften vil øke ytelsen samtidig som de tillater en større andel feil som skal oppdages. Feilsletteteknikken senker også terskelen for feilretting til under 99 %; i et scenario der nesten alle feil konverteres til slettinger, som Thompson sier burde være mulig, kan terskelen være så lav som 90 %.

Sletting av multiplekseringsfeil

I en relatert resultat, konverterte forskere ved California Institute of Technology, USA (Caltech) også feil til slettinger. Deres strontiumbaserte nøytrale atommaskin er en mer begrenset type kvantedatamaskin kjent som en kvantesimulator: mens de kan eksitere atomer opp til Rydberg-tilstanden og lage sammenfiltrede superposisjoner mellom grunn- og Rydberg-tilstander, har systemet deres bare én grunntilstand, som betyr at de ikke kan lagre kvanteinformasjon på lang sikt.

Imidlertid skapte de disse sammenfiltrede superposisjonene med enestående troskap: 99.9%. De laget også en enorm superposisjon bestående av ikke bare to atomer, men 26, og forbedret trofastheten ved å slette noen av feilene. "Vi viser i utgangspunktet at du med mening kan bringe denne teknikken inn i riket av mange-kroppen," sier Adam Shaw, en doktorgradsstudent i Manuel Endres sin gruppe hos Caltech.

Sammen viser de tre fremskrittene egenskapene til kvantedatamaskiner med nøytral atom, og forskerne sier at ideene deres kan kombineres til en maskin som fungerer enda bedre enn de som er vist så langt. "Det faktum at alle disse verkene kom ut sammen, det er litt av et tegn på at noe spesielt er i ferd med å komme," avslutter Lukin.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/