Квантовые компьютеры на нейтральных атомах переживают момент – Мир физики

В гонке за платформу квантовых вычислений будущего нейтральные атомы оказались в некотором роде аутсайдерами. Хотя квантовые биты (кубиты) на основе нейтральных атомов обладают рядом привлекательных характеристик, в том числе простотой масштабирования числа кубитов и параллельного выполнения над ними операций, основное внимание сосредоточено на конкурирующих платформах. Многие из крупнейших машин построены на основе сверхпроводящих кубитов, в том числе разработанных в IBM, Google, Amazonи Microsoft. Другие компании выбрали ионы, например Honeywell и ИонКью, или фотоны, например Xanadu.

Однако за последние несколько недель несколько примечательных событий выдвинули нейтральные атомы на передний план. Один из них принадлежал стартапу Atom Computing, который объявлено в конце октября что у него скоро появится 1000-кубитная машина с нейтральными атомами готово для клиентов — первое коммерческое квантовое устройство, преодолевшее этот рубеж. Остальные прибыли от трех групп исследователей, опубликовавших отдельные исследования в природа описание платформ нейтральных атомов с низким уровнем шума, новыми возможностями уменьшения ошибок и большим потенциалом для масштабирования до еще большего количества кубитов.

Для любой кубитовой платформы самым большим препятствием для надежных квантовых операций являются шум и ошибки, которые он вызывает. «Коррекция ошибок — это действительно передовой рубеж квантовых вычислений», — говорит Джефф Томпсон, физик из Принстонского университета, США, который руководил одно из трёх исследований вместе с Шрути Пури Йельского университета, США. «Это то, что стоит между нами и на самом деле делает полезные вычисления».

Причина, по которой исправление ошибок настолько важно, заключается в том, что оно делает вычисления возможными, даже если базовое оборудование склонно к шумам. Классические компьютеры используют простую стратегию исправления ошибок, называемую кодом повторения: сохраняют одну и ту же информацию несколько раз, так что, если в одном бите есть ошибка, «большинство голосов» остальных битов все равно будет указывать на правильное значение. Алгоритмы квантовой коррекции ошибок, по сути, являются более сложными версиями этого алгоритма, но прежде чем платформа сможет извлечь из них пользу, их оборудование должно соответствовать некоторым минимальным требованиям к точности. Для традиционных квантовых алгоритмов эмпирическое правило заключается в том, что частота ошибок для минимальной единицы квантовых вычислений — квантового вентиля — должна быть ниже 1%.

Уменьшение шума

Исследователи во главе с Михаил Лукин Гарвардского университета, США, являются сейчас сообщаю что их квантовый компьютер на нейтральных атомах достиг этого порога, достигнув уровня ошибок 0.5%. Они достигли этой вехи, реализовав двухкубитные вентили способом, впервые предложенным командами в Germany и Францияи их машина, которую они разработали вместе с коллегами из соседнего Массачусетского технологического института (MIT) и QuEra Вычисления, работает следующим образом.

Сначала пар атомов рубидия охлаждается до температуры чуть выше абсолютного нуля. Затем отдельные атомы захватываются и удерживаются плотно сфокусированными лазерными лучами с помощью метода, известного как оптический пинцет. Каждый атом представляет собой один кубит, а сотни расположены в двумерном массиве. Квантовая информация в этих кубитах — ноль, единица или квантовая суперпозиция этих двух — хранится на двух разных энергетических уровнях атомов рубидия.

Для создания двухкубитного вентиля два атома подносятся друг к другу и одновременно освещаются лазером. Освещение переводит один из электронов атома на высокий энергетический уровень, известный как состояние Ридберга. В этом состоянии атомы легко взаимодействуют со своими ближайшими соседями, что делает возможным работу ворот.

Чтобы повысить точность работы, команда использовала недавно разработанную оптимизированную последовательность импульсов для возбуждения двух атомов в состояние Ридберга и их обратного опускания. Эта последовательность импульсов быстрее, чем в предыдущих версиях, что дает атомам меньше шансов перейти в неправильное состояние, что могло бы нарушить расчет. Сочетание этого с другими техническими улучшениями позволило команде достичь точности 99.5% для двухкубитных вентилей.

Хотя другие платформы достигли сопоставимой точности, квантовые компьютеры на нейтральных атомах могут выполнять больше вычислений параллельно. В своем эксперименте Лукин и его команда применили двухкубитный вентиль сразу к 60 кубитам, просто освещая их одним и тем же лазерным импульсом. «Это делает его очень, очень особенным», — говорит Лукин, — «потому что мы можем иметь высокую точность и делать это параллельно, используя всего лишь один глобальный элемент управления. Ни одна другая платформа не может этого сделать».

Стирание ошибок

В то время как команда Лукина оптимизировала свой эксперимент, чтобы достичь порога точности применения схем исправления ошибок, Томпсон и Пури вместе с коллегами из Страсбургского университета (Франция) нашли способ преобразовать определенные виды ошибок в стирания, полностью удалив их из системы. . Это значительно упрощает исправление этих ошибок, снижая порог срабатывания схем исправления ошибок.

Установка Томпсона и Пури аналогична установке команды Гарвардского технологического института: отдельные ультрахолодные атомы удерживаются в оптических пинцетах. Основное отличие состоит в том, что вместо рубидия они использовали атомы иттербия. Иттербий имеет более сложную структуру энергетических уровней, чем рубидий, что усложняет работу с ним, но также предоставляет больше возможностей для кодирования квантовых состояний. В этом случае исследователи закодировали «ноль» и «единицу» своих кубитов в двух метастабильных состояниях, а не в двух традиционных нижних энергетических уровнях. Хотя эти метастабильные состояния имеют более короткое время жизни, многие из возможных механизмов ошибок могут вывести атомы из этих состояний в основное состояние, где их можно обнаружить.

Возможность удалять ошибки — большое благо. Классически, если более половины битов в коде повторения содержат ошибки, будет передана неверная информация. «Но с моделью стирания она гораздо более эффективна, потому что теперь я знаю, в каких битах возникла ошибка, и могу исключить их из голосования большинства», — объясняет Томпсон. «Поэтому все, что мне нужно, это чтобы остался хоть один хороший кусочек».

Благодаря своей технологии преобразования со стиранием Томпсон и его коллеги смогли обнаружить около трети ошибок в реальном времени. Хотя точность их двухкубитных вентилей на 98% ниже, чем у машины команды Гарвардского технологического института, Томпсон отмечает, что они использовали почти в 10 000 раз меньше мощности лазера для управления своими воротами, а увеличение мощности повысит производительность, а также позволит большая доля ошибок, подлежащих обнаружению. Метод стирания ошибок также снижает порог исправления ошибок до уровня ниже 99%; в сценарии, где почти все ошибки преобразуются в стирания, что, по словам Томпсона, должно быть возможным, порог может составлять всего 90%.

Стирание ошибок мультиплексирования

В связанный результатИсследователи из Калифорнийского технологического института в США (Калифорнийский технологический институт) также преобразовали ошибки в стирания. Их машина с нейтральным атомом на основе стронция представляет собой более ограниченный вид квантового компьютера, известный как квантовый симулятор: хотя они могут возбуждать атомы до состояния Ридберга и создавать запутанные суперпозиции между основным и ридберговским состояниями, их система имеет только одно основное состояние. это означает, что они не могут хранить квантовую информацию в течение длительного времени.

Однако они создали эти запутанные суперпозиции с беспрецедентной точностью: 99.9%. Они также создали огромную суперпозицию, состоящую не из двух атомов, а из 26, и улучшили точность этого, стирая некоторые ошибки. «По сути, мы показываем, что вы можете осмысленно перенести эту технику в область многочасти», — говорит Адам Шоу, аспирант в Группа Мануэля Эндреса в Калифорнийском технологическом институте.

Вместе эти три достижения демонстрируют возможности квантовых компьютеров на нейтральных атомах, и исследователи говорят, что их идеи можно объединить в машину, которая будет работать даже лучше, чем те, что были продемонстрированы до сих пор. «То, что все эти работы вышли вместе, — это своего рода знак того, что скоро произойдет что-то особенное», — заключает Лукин.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/