Calculatoarele cuantice cu atom neutru au un moment – ​​Physics World

Calculatoarele cuantice cu atom neutru au un moment – ​​Physics World

Marca temporală: 9 noiembrie 2023, ora 9:26
Nodul sursă: 3008318

Optica scăldată în lumină verde și albastră
Toate sistemele merg: un fascicul de lumină laser în laboratorul lui Jeff Thompson de la Universitatea Princeton, unde el și colegii săi au demonstrat recent o nouă modalitate de a șterge erorile într-un computer cuantic cu atom neutru. (Cu amabilitatea: Frank Wojciechowski)

În cursa pentru platforma de calcul cuantică a viitorului, atomii neutri au fost un pic de nefavorabil. În timp ce biții cuantici (qubiți) bazați pe atomi neutri au câteva caracteristici atractive, inclusiv ușurința de a mări numerele de qubiți și de a efectua operațiuni pe acestea în paralel, cea mai mare atenție s-a concentrat pe platformele rivale. Multe dintre cele mai mari mașini sunt construite cu qubiți supraconductori, inclusiv cei dezvoltați la IBM, Google, Amazon, și Microsoft. Alte companii au optat pentru ioni, cum ar fi Honeywell și IonQ, sau fotoni, cum ar fi Xanadu.

În ultimele săptămâni, totuși, mai multe evoluții atrăgătoare au împins atomii neutri spre partea din față a haitei. Unul dintre ei provenea de la un start-up numit Atom Computing, care anunțat la sfârșitul lunii octombrie că va avea în curând o Mașină cu atom neutru de 1000 de qubiți gata pentru clienți – primul dispozitiv cuantic comercial care a trecut de această etapă. Ceilalți provin de la trei echipe de cercetători care au publicat studii separate în Natură descriind platforme cu atom neutru cu zgomot redus, noi capacități de atenuare a erorilor și potențial puternic de extindere la un număr și mai mare de qubiți.

Pentru orice platformă qubit, cele mai mari bariere în calea operațiunilor cuantice robuste sunt zgomotul și erorile pe care le provoacă. „Corectarea erorilor este cu adevărat frontiera calculului cuantic”, spune Jeff Thompson, un fizician la Universitatea Princeton, SUA, care a condus unul dintre cele trei studii Împreună cu Shruti Puri de la Universitatea Yale, SUA. „Este lucrul care stă între noi și care face efectiv calcule utile.”

Motivul pentru care corectarea erorilor este atât de importantă este că face posibile calcule chiar dacă hardware-ul de bază este predispus la zgomot. Calculatoarele clasice folosesc o strategie simplă de corectare a erorilor numită cod de repetiție: stochează aceeași informație de mai multe ori, astfel încât, dacă există o eroare într-un bit, „votul majorității” biților rămași va indica în continuare valoarea corectă. Algoritmii de corectare a erorilor cuantice sunt în esență versiuni mai complexe ale acestui lucru, dar înainte ca o platformă să poată beneficia de ei, hardware-ul lor trebuie să îndeplinească unele cerințe minime de fidelitate. Pentru algoritmii cuantici tradiționali, regula generală este că rata de eroare pentru unitatea minimă de calcul cuantic – o poartă cuantică – ar trebui să fie sub 1%.

Reducerea zgomotului

Cercetătorii conduși de Mikhail Lukin de la Universitatea Harvard, SUA, sunt acum raportând că computerul lor cuantic cu atom neutru a atins acel prag, atingând o rată de eroare de 0.5%. Ei au atins această piatră de hotar prin implementarea porților de doi qubiți într-un mod inițiat de echipe în Germania și Franţa, și mașina lor, pe care au dezvoltat-o ​​împreună cu colegii de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (MIT) și QuEra Computing, funcționează după cum urmează.

În primul rând, un vapor de atomi de rubidiu este răcit la puțin peste zero absolut. Apoi, atomii individuali sunt capturați și ținuți de raze laser strâns focalizate într-o tehnică cunoscută sub numele de pensete optice. Fiecare atom reprezintă un singur qubit, iar sute sunt aranjate într-o matrice bidimensională. Informația cuantică din acești qubiți – un zero sau unul sau o suprapunere cuantică a celor doi – este stocată în două niveluri diferite de energie ale atomilor de rubidiu.

Pentru a efectua o poartă de doi qubiți, doi atomi sunt apropiați unul de celălalt și iluminați simultan de un laser. Iluminarea promovează unul dintre electronii atomului la un nivel ridicat de energie cunoscut sub numele de stare Rydberg. Odată ajunsi în această stare, atomii interacționează cu ușurință cu vecinii lor apropiați, făcând posibilă funcționarea porții.

Pentru a îmbunătăți fidelitatea operațiunii, echipa a folosit o secvență de impulsuri optimizată recent dezvoltată pentru a excita cei doi atomi în starea Rydberg și a-i aduce înapoi. Această secvență de impulsuri este mai rapidă decât versiunile anterioare, oferind atomilor mai puține șanse de a se degrada într-o stare greșită, ceea ce ar rupe calculul. Combinarea acestui lucru cu alte îmbunătățiri tehnice a permis echipei să atingă o fidelitate de 99.5% pentru porțile de doi qubiți.

Deși alte platforme au atins fidelități comparabile, computerele cuantice cu atom neutru pot face mai multe calcule în paralel. În experimentul lor, Lukin și echipa sa și-au aplicat poarta de doi qubiți la 60 de qubiți deodată, pur și simplu, iluminându-i cu același puls laser. „Acest lucru îl face foarte, foarte special”, spune Lukin, „pentru că putem avea fidelități ridicate și o putem face în paralel cu un singur control global. Nicio altă platformă nu poate face asta cu adevărat.”

Ștergerea erorilor

Un desen de artist cu cinci sfere într-o linie. Sferele reprezintă atomi; patru dintre atomi sunt galbeni, în timp ce unul dintre ei strălucește roz
Atomi ciudat: Găsind o modalitate de a identifica atomii în stare „greșită” și de a-i șterge din sistem, cercetătorii de la Princeton, Yale și Caltech au arătat cum să facă operațiunile cuantice mai eficiente în mașinile cu atom neutru. (Cu amabilitatea: Caltech/Lance Hayashida)

În timp ce echipa lui Lukin și-a optimizat experimentul pentru a atinge pragul de fidelitate pentru aplicarea schemelor de corectare a erorilor, Thompson și Puri, împreună cu colegii de la Universitatea din Strasbourg, Franța, au găsit o modalitate de a converti anumite tipuri de erori în ștergere, eliminându-le complet din sistem. . Acest lucru face aceste erori mult mai ușor de corectat, scăzând pragul pentru ca schemele de corectare a erorilor să funcționeze.

Configurația lui Thompson și Puri este similară cu cea a echipei Harvard-MIT, cu atomi individuali ultrareci ținuți în pensete optice. Principala diferență este că au folosit atomi de iterbiu în loc de rubidiu. Itterbiul are o structură la nivel de energie mai complicată decât rubidiul, ceea ce face mai dificil de lucrat, dar oferă și mai multe opțiuni pentru codificarea stărilor cuantice. În acest caz, cercetătorii au codificat „zero” și „unu” dintre qubiții lor în două stări metastabile, mai degrabă decât în ​​cele mai joase două niveluri de energie tradiționale. Deși aceste stări metastabile au durate de viață mai scurte, multe dintre posibilele mecanisme de eroare ar scoate atomii din aceste stări și ar trece în starea fundamentală, unde pot fi detectați.

A putea șterge erorile este un mare avantaj. În mod clasic, dacă mai mult de jumătate din biții dintr-un cod de repetiție au erori, vor fi transmise informații greșite. „Dar cu modelul de ștergere, este mult mai puternic pentru că acum știu ce biți au avut o eroare, așa că îi pot exclude de la votul majorității”, explică Thompson. „Deci tot ce am nevoie este să mai rămână o bucată bună.”

Datorită tehnicii lor de conversie a ștergerii, Thompson și colegii au reușit să detecteze aproximativ o treime din erori în timp real. Deși fidelitatea porții lor de doi qubiți de 98% este mai mică decât cea a mașinii echipei Harvard-MIT, Thompson observă că au folosit de aproape 10 000 de ori mai puțină putere laser pentru a-și conduce poarta, iar creșterea puterii va crește performanța, permițând totodată o parte mai mare de erori de detectat. Tehnica de ștergere a erorilor reduce, de asemenea, pragul pentru corectarea erorilor la sub 99%; într-un scenariu în care aproape toate erorile sunt convertite în ștergeri, despre care Thompson spune că ar trebui să fie posibil, pragul ar putea fi de până la 90%.

Ștergerea erorilor de multiplexare

Într-o rezultat aferent, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din California, SUA (Caltech) au convertit, de asemenea, erorile în ștergeri. Mașina lor cu atom neutru pe bază de stronțiu este un tip mai restrâns de computer cuantic cunoscut sub numele de simulator cuantic: în timp ce pot excita atomii până la starea Rydberg și pot crea suprapoziții încurcate între stările de bază și Rydberg, sistemul lor are o singură stare fundamentală, ceea ce înseamnă că nu pot stoca informații cuantice pe termen lung.

Cu toate acestea, au creat aceste suprapuneri încurcate cu o fidelitate fără precedent: 99.9%. De asemenea, au făcut o suprapunere uriașă constând nu doar din doi atomi, ci din 26 și au îmbunătățit fidelitatea efectuării acestui lucru, ștergând unele dintre erori. „Practic, arătăm că ai putea aduce această tehnică în mod semnificativ în domeniul multor corpuri”, spune Adam Shaw, doctorand în grupul lui Manuel Endres la Caltech.

Împreună, cele trei progrese arată capabilitățile computerelor cuantice cu atom neutru, iar cercetătorii spun că ideile lor pot fi combinate într-o mașină care funcționează chiar mai bine decât cele demonstrate până acum. „Faptul că toate aceste lucrări au apărut împreună, este un pic un semn că ceva special este pe cale să vină”, conchide Lukin.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii