Máy tính lượng tử nguyên tử trung tính đang có cơ hội phát triển

Máy tính lượng tử nguyên tử trung tính đang có cơ hội phát triển

Dấu thời gian: Ngày 9 tháng 2023 năm 9 26:XNUMX sáng
Nút nguồn: 3008318

Quang học tắm trong ánh sáng xanh lục và xanh lam
Tất cả các hệ thống đều hoạt động: Một chùm ánh sáng laser trong phòng thí nghiệm của Jeff Thompson tại Đại học Princeton, nơi ông và các đồng nghiệp gần đây đã trình diễn một phương pháp mới để xóa lỗi trong máy tính lượng tử nguyên tử trung tính. (Được phép: Frank Wojciechowski)

Trong cuộc đua giành nền tảng điện toán lượng tử trong tương lai, các nguyên tử trung lập hơi bị yếu thế. Trong khi các bit lượng tử (qubit) dựa trên các nguyên tử trung tính có một số đặc điểm hấp dẫn, bao gồm cả việc dễ dàng tăng quy mô số lượng qubit và thực hiện các hoạt động trên chúng song song, hầu hết sự chú ý đều tập trung vào các nền tảng đối thủ. Nhiều cỗ máy lớn nhất được chế tạo bằng qubit siêu dẫn, bao gồm cả những cỗ máy được phát triển tại IBM, Google, đàn bà gan dạvà microsoft. Các công ty khác đã chọn ion, như Honeywell và ionQ, hoặc photon, như Xanadu.

Tuy nhiên, trong vài tuần qua, một số phát triển đáng chú ý đã đẩy các nguyên tử trung tính về phía trước. Một trong số họ đến từ công ty khởi nghiệp có tên Atom Computing, công ty công bố vào cuối tháng XNUMX rằng nó sẽ sớm có một Máy nguyên tử trung tính 1000 qubit sẵn sàng cho khách hàng – thiết bị lượng tử thương mại đầu tiên vượt qua cột mốc này. Những người khác đến từ ba nhóm nhà nghiên cứu đã công bố các nghiên cứu riêng biệt trong Thiên nhiên mô tả các nền tảng nguyên tử trung tính có độ ồn thấp, khả năng giảm thiểu lỗi mới và tiềm năng mạnh mẽ để mở rộng quy mô lên số lượng qubit thậm chí còn lớn hơn.

Đối với bất kỳ nền tảng qubit nào, rào cản lớn nhất đối với hoạt động lượng tử mạnh mẽ là tiếng ồn và các lỗi mà nó gây ra. “Sửa lỗi thực sự là biên giới của điện toán lượng tử,” nói Jeff Thompson, nhà vật lý tại Đại học Princeton, Hoa Kỳ, người đứng đầu một trong ba nghiên cứu Cùng với Shruti Puri của Đại học Yale, Mỹ. “Đó là thứ đứng giữa chúng ta và thực sự thực hiện những phép tính hữu ích.”

Lý do sửa lỗi rất quan trọng là nó giúp cho việc tính toán có thể thực hiện được ngay cả khi phần cứng cơ bản dễ bị nhiễu. Máy tính cổ điển sử dụng chiến lược sửa lỗi đơn giản gọi là mã lặp lại: lưu trữ cùng một thông tin nhiều lần để nếu có lỗi ở một bit thì “phiếu bầu đa số” của các bit còn lại sẽ vẫn trỏ đến giá trị chính xác. Các thuật toán sửa lỗi lượng tử về cơ bản là các phiên bản phức tạp hơn của thuật toán này, nhưng trước khi một nền tảng có thể hưởng lợi từ chúng, phần cứng của chúng phải đáp ứng một số yêu cầu về độ trung thực tối thiểu. Đối với các thuật toán lượng tử truyền thống, nguyên tắc chung là tỷ lệ lỗi đối với đơn vị tính toán lượng tử tối thiểu – cổng lượng tử – phải dưới 1%.

Giảm tiếng ồn

Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Mikhail lukin của Đại học Harvard, Mỹ, là bây giờ báo cáo rằng máy tính lượng tử nguyên tử trung tính của họ đã đáp ứng ngưỡng đó, đạt tỷ lệ lỗi 0.5%. Họ đã đạt được cột mốc quan trọng này bằng cách triển khai cổng hai qubit theo cách được các nhóm tiên phong trong Nước Đức và Nước phápvà chiếc máy mà họ đã phát triển cùng với các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) lân cận và Máy tính QuEra, hoạt động như sau.

Đầu tiên, hơi nguyên tử rubidium được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối. Sau đó, từng nguyên tử được bắt giữ và giữ lại bằng các chùm tia laser tập trung chặt chẽ trong một kỹ thuật được gọi là nhíp quang học. Mỗi nguyên tử đại diện cho một qubit duy nhất và hàng trăm qubit được sắp xếp thành một mảng hai chiều. Thông tin lượng tử trong các qubit này – số XNUMX hoặc số XNUMX hoặc sự chồng chất lượng tử của cả hai – được lưu trữ ở hai mức năng lượng khác nhau của các nguyên tử rubidium.

Để thực hiện cổng hai qubit, hai nguyên tử được đưa đến gần nhau và được chiếu sáng đồng thời bằng tia laser. Sự chiếu sáng thúc đẩy một trong các electron của nguyên tử lên mức năng lượng cao được gọi là trạng thái Rydberg. Khi ở trạng thái này, các nguyên tử dễ dàng tương tác với các nước láng giềng gần của chúng, khiến cho cổng hoạt động có thể thực hiện được.

Để cải thiện độ chính xác của hoạt động, đội nghiên cứu đã sử dụng chuỗi xung được tối ưu hóa mới được phát triển gần đây để kích thích hai nguyên tử lên trạng thái Rydberg và đưa chúng trở lại trạng thái Rydberg. Chuỗi xung này nhanh hơn các phiên bản trước, giúp các nguyên tử ít có cơ hội phân rã sang trạng thái sai, điều này sẽ phá vỡ phép tính. Kết hợp điều này với các cải tiến kỹ thuật khác cho phép nhóm đạt được độ chính xác 99.5% đối với cổng hai qubit.

Mặc dù các nền tảng khác đã đạt được độ chính xác tương đương, nhưng máy tính lượng tử nguyên tử trung tính có thể thực hiện song song nhiều phép tính hơn. Trong thí nghiệm của mình, Lukin và nhóm của ông đã áp dụng cổng hai qubit của họ lên 60 qubit cùng một lúc chỉ bằng cách chiếu sáng chúng bằng cùng một xung laser. “Điều này khiến nó trở nên rất đặc biệt,” Lukin nói, “bởi vì chúng tôi có thể có độ chính xác cao và chúng tôi có thể thực hiện điều đó song song chỉ với một điều khiển toàn cầu duy nhất. Không có nền tảng nào khác thực sự có thể làm được điều đó.”

Xóa lỗi

Bức tranh vẽ năm quả cầu thẳng hàng của một họa sĩ. Các quả cầu tượng trưng cho nguyên tử; bốn trong số các nguyên tử có màu vàng, trong khi một trong số chúng phát sáng màu hồng
Loại bỏ nguyên tử: Bằng cách tìm ra cách xác định các nguyên tử ở trạng thái “sai” và xóa chúng khỏi hệ thống, các nhà nghiên cứu tại Princeton, Yale và Caltech đã chỉ ra cách làm cho các hoạt động lượng tử hiệu quả hơn trong các máy nguyên tử trung tính. (Ảnh: Caltech/Lance Hayashida)

Trong khi nhóm của Lukin tối ưu hóa thí nghiệm của họ để đáp ứng ngưỡng độ chính xác khi áp dụng các sơ đồ sửa lỗi, thì Thompson và Puri cùng với các đồng nghiệp tại Đại học Strasbourg, Pháp, đã tìm ra cách chuyển một số loại lỗi nhất định thành xóa, loại bỏ chúng hoàn toàn khỏi hệ thống. . Điều này làm cho những lỗi này dễ sửa hơn nhiều, hạ thấp ngưỡng hoạt động của các sơ đồ sửa lỗi.

Thiết lập của Thompson và Puri tương tự như thiết lập của đội Harvard-MIT, với từng nguyên tử cực lạnh được giữ trong nhíp quang học. Sự khác biệt chính là họ sử dụng nguyên tử ytterbium thay vì rubidium. Ytterbium có cấu trúc mức năng lượng phức tạp hơn rubidium, khiến nó khó hoạt động hơn nhưng cũng cung cấp nhiều tùy chọn hơn để mã hóa các trạng thái lượng tử. Trong trường hợp này, các nhà nghiên cứu đã mã hóa “không” và “một” qubit của họ ở hai trạng thái siêu bền, thay vì hai mức năng lượng thấp nhất truyền thống. Mặc dù các trạng thái siêu bền này có thời gian tồn tại ngắn hơn, nhưng nhiều cơ chế lỗi có thể xảy ra sẽ đẩy các nguyên tử ra khỏi các trạng thái này và chuyển sang trạng thái cơ bản, nơi chúng có thể được phát hiện.

Có thể xóa lỗi là một lợi ích lớn. Về mặt cổ điển, nếu hơn một nửa số bit trong mã lặp lại có lỗi thì thông tin sai sẽ được truyền đi. Thompson giải thích: “Nhưng với mô hình xóa, nó mạnh mẽ hơn nhiều vì bây giờ tôi biết bit nào có lỗi, vì vậy tôi có thể loại chúng khỏi cuộc bỏ phiếu đa số”. “Vì vậy, tất cả những gì tôi cần là còn lại một chút tốt.”

Nhờ kỹ thuật chuyển đổi xóa, Thompson và đồng nghiệp có thể phát hiện khoảng 98/10 số lỗi trong thời gian thực. Mặc dù độ chính xác của cổng hai qubit là 000%, kém hơn so với máy của nhóm Harvard-MIT, nhưng Thompson lưu ý rằng họ sử dụng năng lượng laser ít hơn gần 99 lần để điều khiển cổng và việc tăng công suất sẽ tăng hiệu suất đồng thời cho phép phần lỗi lớn hơn được phát hiện. Kỹ thuật xóa lỗi cũng hạ ngưỡng sửa lỗi xuống dưới 90%; trong một kịch bản mà hầu hết tất cả các lỗi đều được chuyển thành lỗi xóa, mà Thompson cho rằng có thể xảy ra, ngưỡng này có thể thấp tới XNUMX%.

Xóa lỗi ghép kênh

Trong một kết quả liên quan, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California, Mỹ (Caltech) cũng đã chuyển lỗi thành chữ xóa. Máy nguyên tử trung tính dựa trên strontium của họ là một loại máy tính lượng tử hạn chế hơn được gọi là máy mô phỏng lượng tử: trong khi họ có thể kích thích các nguyên tử lên đến trạng thái Rydberg và tạo ra sự chồng chất vướng víu giữa trạng thái mặt đất và trạng thái Rydberg, thì hệ thống của họ chỉ có một trạng thái cơ bản, điều đó có nghĩa là chúng không thể lưu trữ thông tin lượng tử lâu dài.

Tuy nhiên, họ đã tạo ra những sự chồng chất vướng víu này với độ chính xác chưa từng có: 99.9%. Họ còn tạo ra một sự chồng chất khổng lồ bao gồm không chỉ hai nguyên tử mà tới 26 nguyên tử, và cải thiện độ chính xác của việc làm đó bằng cách xóa một số lỗi. “Về cơ bản, chúng tôi cho thấy rằng bạn có thể đưa kỹ thuật này vào lĩnh vực của nhiều vật thể một cách có ý nghĩa,” nói Adam Shaw, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Nhóm của Manuel Endres ở Caltech.

Cùng với nhau, ba tiến bộ này thể hiện khả năng của máy tính lượng tử nguyên tử trung tính và các nhà nghiên cứu cho biết ý tưởng của họ có thể được kết hợp thành một cỗ máy hoạt động thậm chí còn tốt hơn những cỗ máy đã được chứng minh cho đến nay. Lukin kết luận: “Thực tế là tất cả những tác phẩm này xuất hiện cùng nhau, đó là một dấu hiệu nhỏ cho thấy điều gì đó đặc biệt sắp xảy ra”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý