Eind vorig jaar kondigde technologiegigant IBM aan wat misschien wel een mijlpaal in quantum computing lijkt: de allereerste chip, de Condor genaamd, met meer dan 1,000 quantumbits, oftewel qubits. Gezien het feit dat dit amper twee jaar was nadat het bedrijf de Eagle onthulde, de eerste chip met meer dan 100 qubits, leek het erop dat het veld vooruit racete. Het maken van kwantumcomputers die nuttige problemen kunnen oplossen die verder gaan dan de reikwijdte van zelfs de machtigste klassieke supercomputers van vandaag, vereist dat ze nog verder worden opgeschaald – tot misschien wel vele tienduizenden of honderdduizenden qubits. Maar dat is toch gewoon een kwestie van techniek?

Niet noodzakelijk. De uitdagingen van opschaling zijn zo groot dat sommige onderzoekers denken dat er totaal andere hardware nodig zal zijn dan de micro-elektronica die wordt gebruikt door onder meer IBM en Google. De qubits in de Condor en in de Sycamore-chip van Google zijn gemaakt uit lussen van supergeleidend materiaal. Deze supergeleidende qubits zijn tot nu toe de haas geweest in de race naar grootschalige kwantumcomputing. Maar nu komt er een schildpad van achteren: qubits gemaakt van individuele atomen.

Recente ontwikkelingen hebben deze ‘neutraal-atoom-qubits’ getransformeerd van buitenstaanders in toonaangevende kanshebbers.

“De afgelopen twee of drie jaar hebben we snellere vooruitgang geboekt dan in welke voorgaande periode dan ook”, zegt natuurkundige Mark Saffman van de Universiteit van Wisconsin, Madison, die minstens vijf bedrijven telde die zich haastten om kwantumcomputing met neutrale atomen te commercialiseren.

Net als de bits in gewone computers coderen qubits binaire informatie: 1s en 0s. Maar terwijl een bit zich altijd in de ene of de andere toestand bevindt, kan de informatie in een qubit onbepaald blijven, in een zogenaamde ‘superpositie’ die beide mogelijkheden gewicht geeft. Om een ​​berekening uit te voeren, worden qubits met elkaar verbonden via het fenomeen kwantumverstrengeling, waardoor hun mogelijke toestanden onderling afhankelijk worden. Een bepaald kwantumalgoritme kan een opeenvolging van verstrengelingen tussen verschillende sets qubits vereisen, en het antwoord wordt aan het einde van de berekening uitgelezen wanneer een meting wordt gedaan, waarbij elke superpositie wordt teruggebracht tot een definitieve 1 of 0.

Het idee om op deze manier de kwantumtoestanden van neutrale atomen te gebruiken voor het coderen van informatie was dat ook voorgestelde begin jaren 2000 door de natuurkundige van Harvard Mikhail Lukin en collega's, en ook door een groep onder leiding van Ivan Deutsch van de Universiteit van New Mexico. De bredere onderzoeksgemeenschap was het er lange tijd over eens dat kwantumcomputing met neutrale atomen in principe een geweldig idee was, zei Lukin, maar dat het in de praktijk “gewoon niet werkt”.

"Maar twintig jaar later hebben de andere benaderingen de deal nog niet gesloten", zei Saffman. "En de vaardigheden en de technieken die nodig zijn om neutrale atomen te laten werken, zijn geleidelijk geëvolueerd tot het punt waarop ze er veelbelovend uitzien."

Het laboratorium van Lukin op Harvard was een van de pioniers. In december, hij en zijn collega's gerapporteerd dat ze programmeerbare kwantumcircuits creëerden met honderden qubits met neutrale atomen en daarmee kwantumberekeningen en foutcorrecties hadden uitgevoerd. En deze maand een team van het California Institute of Technology gerapporteerd dat ze een array van 6,100 atomaire qubits hebben gemaakt. Dergelijke resultaten zorgen steeds vaker voor bekeerlingen tot deze aanpak.

“Tien jaar geleden zou ik deze [neutraal-atoom] methoden niet hebben opgenomen als ik weddenschappen op de toekomst van kwantumcomputers wilde afdekken,” zei Andreas Steane, een kwantuminformatietheoreticus aan de Universiteit van Oxford. “Dat zou een vergissing zijn geweest.”

Slag om Qubits

Een belangrijk probleem in de strijd tussen qubit-typen is hoe lang elk soort qubit zijn superpositie kan behouden voordat deze wordt gewijzigd door een willekeurige (bijvoorbeeld thermische) fluctuatie. Voor supergeleidende qubits zoals die van IBM en Google bedraagt ​​deze “coherentietijd” doorgaans op zijn best ongeveer een milliseconde. Alle stappen van een kwantumberekening moeten binnen dat tijdsbestek plaatsvinden.

Een voordeel van het coderen van informatie in de toestanden van individuele atomen is dat hun coherentietijden doorgaans veel langer zijn. Bovendien zijn atomen van een bepaald type, in tegenstelling tot supergeleidende circuits, allemaal identiek, dus er zijn geen op maat gemaakte besturingssystemen nodig om subtiel verschillende kwantumtoestanden in te voeren en te manipuleren.

En terwijl de bedrading die wordt gebruikt om supergeleidende qubits met elkaar te verbinden in kwantumcircuits verschrikkelijk ingewikkeld kan worden – naarmate het systeem groter wordt – is er in het geval van atomen geen bedrading nodig. Al het verstrengelen gebeurt met behulp van laserlicht.

Dit voordeel vormde aanvankelijk een uitdaging. Er bestaat een goed ontwikkelde technologie voor het uithakken van ingewikkelde micro-elektronische schakelingen en draden, en een waarschijnlijke reden waarom IBM en Google aanvankelijk in supergeleidende qubits investeerden is niet omdat deze overduidelijk de beste waren, maar omdat ze het soort schakelingen nodig hadden waar dergelijke bedrijven aan gewend zijn. Stuart Adams, een natuurkundige aan de Durham University in het Verenigd Koninkrijk die werkt aan kwantumcomputers met neutrale atomen. “Op laser gebaseerde atoomoptiek leek hen totaal onbekend. Alle techniek is compleet anders.”

Qubits gemaakt van elektrisch geladen atomen – bekend als ionen – kunnen ook met licht worden bestuurd, en ionen werden lange tijd beschouwd als betere qubit-kandidaten dan neutrale atomen. Vanwege hun lading zijn ionen relatief gemakkelijk op te vangen in elektrische velden. Onderzoekers hebben ionenvallen gecreëerd door de ionen bij ultralage temperaturen in een kleine vacuümholte op te hangen (om thermisch schudden te voorkomen), terwijl laserstralen ze tussen verschillende energietoestanden schakelen om de informatie te manipuleren. Er zijn inmiddels ionentrap-kwantumcomputers met tientallen qubits gedemonstreerd en verschillende startups ontwikkelen de technologie voor commercialisering. "Tot nu toe bestond het systeem met de hoogste prestaties op het gebied van betrouwbaarheid, controle en coherentie uit gevangen ionen", zei Saffman.

Het vangen van neutrale atomen is moeilijker omdat er geen lading is om vast te houden. In plaats daarvan worden de atomen geïmmobiliseerd in velden met intens licht, gecreëerd door laserstralen, de zogenaamde optische pincetten. De atomen zitten doorgaans het liefst daar waar het lichtveld het meest intens is.

En er is een probleem met ionen: ze hebben allemaal een elektrische lading van hetzelfde teken. Dat betekent dat de qubits elkaar afstoten. Het wordt moeilijker om er veel van in dezelfde kleine ruimte te stoppen naarmate er meer ionen zijn. Bij neutrale atomen bestaat zo'n spanning niet. Dit maakt qubits met neutrale atomen veel schaalbaarder, zeggen onderzoekers.

Bovendien zijn de gevangen ionen in een rij gerangschikt (of, sinds kort, in een lus).renbaan”). Deze configuratie maakt het moeilijk om de ene ionenqubit te verstrengelen met een andere, bijvoorbeeld op twintig plaatsen langs de rij. "Ionenvallen zijn inherent eendimensionaal", zei Adams. “Je moet ze op een rij zetten, en het is heel moeilijk voor te stellen hoe je op die manier aan duizend qubits komt.”

Arrays met neutrale atomen kunnen een tweedimensionaal raster zijn, dat veel gemakkelijker op te schalen is. "Je kunt veel in hetzelfde systeem stoppen, en ze communiceren niet als je dat niet wilt", zei Saffman. Zijn groep en anderen hebben op deze manier meer dan 1,000 neutrale atomen gevangen. “Wij geloven dat we tienduizenden of zelfs honderdduizenden in een apparaat op centimeterschaal kunnen stoppen”, zei hij.

In hun recente werk heeft het team van Caltech inderdaad een array met optische pincetten gemaakt van ongeveer 6,100 neutrale cesiumatomen, hoewel ze er nog geen kwantumberekeningen mee hebben uitgevoerd. Deze qubits hadden bovendien coherentietijden van maar liefst 12.6 seconden, een record tot nu toe voor dit qubit-type.

De Rydberg-blokkade

Om twee of meer qubits met elkaar te verstrengelen, moeten ze met elkaar communiceren. Neutrale atomen 'voelen' elkaars aanwezigheid via zogenaamde van der Waals-krachten, die voortkomen uit de manier waarop het ene atoom reageert op fluctuaties in de elektronenwolk in een ander nabijgelegen atoom. Maar deze zwakke krachten worden alleen gevoeld als de atomen extreem dicht bij elkaar staan. Normale atomen met de vereiste precisie manipuleren met behulp van lichtvelden is gewoonweg niet mogelijk.

Zoals Lukin en zijn collega's in hun oorspronkelijke voorstel uit 2000 opmerkten, kan de interactieafstand dramatisch worden vergroot als we de omvang van de atomen zelf vergroten. Hoe meer energie een elektron heeft, hoe verder het de neiging heeft om van de atoomkern af te dwalen. Als een laser wordt gebruikt om een ​​elektron op te pompen in een energietoestand die veel groter is dan die gewoonlijk in atomen wordt aangetroffen – een Rydberg-toestand genoemd naar de Zweedse natuurkundige Johannes Rydberg, die in de jaren tachtig van de negentiende eeuw de manier bestudeerde waarop atomen licht uitstralen op discrete golflengten – zal het elektron kunnen duizenden keren verder van de kern rondzwerven dan normaal.

Deze grotere omvang maakt het mogelijk dat twee atomen die enkele micrometers van elkaar verwijderd zijn – perfect haalbaar in optische vallen – met elkaar kunnen communiceren.

Om een ​​kwantumalgoritme te implementeren, coderen de onderzoekers eerst kwantuminformatie in een paar atomaire energieniveaus, waarbij ze lasers gebruiken om elektronen tussen de niveaus te schakelen. Vervolgens verstrengelen ze de toestanden van atomen door de Rydberg-interacties daartussen in te schakelen. Een bepaald atoom kan al dan niet worden aangeslagen tot een Rydberg-toestand, afhankelijk van op welk van de twee energieniveaus het elektron zich bevindt; slechts één daarvan bevindt zich op de juiste energie om te resoneren met de frequentie van de excitatielaser. En als het atoom momenteel met een ander atoom interageert, verschuift deze excitatiefrequentie enigszins, zodat het elektron niet met het licht resoneert en de sprong niet kan maken. Dit betekent dat slechts het ene of het andere van een paar op elkaar inwerkende atomen op elk moment een Rydberg-toestand kan handhaven; hun kwantumtoestanden zijn gecorreleerd – of met andere woorden, verstrengeld. Deze zogenaamde Rydberg-blokkade, eerst voorgestelde door Lukin en collega's in 2001 als een manier om Rydberg-atoomqubits te verstrengelen, is een alles-of-niets-effect: er is een Rydberg-blokkade of die is er niet. “De Rydberg-blokkade maakt interacties tussen atomen digitaal,” zei Lukin.

Aan het einde van de berekening lezen lasers de toestanden van atomen uit: als een atoom zich in de toestand bevindt die resoneert met de verlichting, wordt het licht verstrooid, maar als het zich in de andere toestand bevindt, is er geen verstrooiing.

In 2004 een team van de Universiteit van Connecticut gedemonstreerd een Rydberg-blokkade tussen rubidiumatomen, gevangen en afgekoeld tot slechts 100 microkelvin boven het absolute nulpunt. Ze koelden de atomen af ​​door lasers te gebruiken om de thermische energie van de atomen 'weg te zuigen'. De aanpak betekent dat neutrale atomen, in tegenstelling tot supergeleidende qubits, geen cryogene koeling en geen omslachtige koelmiddelen nodig hebben. Deze systemen kunnen daardoor zeer compact worden uitgevoerd. "Het apparaat als geheel is op kamertemperatuur", zei Saffman. “Op één centimeter afstand van deze superkoude atomen heb je een raam op kamertemperatuur.”

In 2010 Saffman en zijn collega's gerapporteerd de eerste logische poort – een fundamenteel element van computers, waarin een of meer binaire invoersignalen een bepaalde binaire uitvoer genereren – gemaakt van twee atomen met behulp van de Rydberg-blokkade. En dan, cruciaal, in 2016: Lukins team en onderzoeksgroepen in Frankrijk en Zuid-Korea allemaal onafhankelijk uitgezocht hoe te veel neutrale atomen laden in reeksen optische vallen en verplaats ze naar believen. "Deze innovatie bracht nieuw leven in het veld", zei Stephan Durr van het Max Planck Instituut voor Quantum Optics in Garching, Duitsland, dat Rydberg-atomen gebruikt voor experimenten in op licht gebaseerde kwantuminformatieverwerking.

Veel van het werk tot nu toe maakt gebruik van rubidium- en cesiumatomen, maar de natuurkundige Jeff Thompson aan de Princeton University geeft er de voorkeur aan om de informatie te coderen in de nucleaire spintoestanden van metaalatomen zoals strontium en ytterbium, die nog langere coherentietijden hebben. Afgelopen oktober, Thompson en collega's gerapporteerd twee-qubit logische poorten gemaakt van deze systemen.

En Rydberg-blokkades hoeven zich niet tussen afzonderlijke atomen te bevinden. Afgelopen zomer, Adams en zijn collega's vertoonde dat ze een Rydberg-blokkade konden creëren tussen een atoom en een gevangen molecuul, die ze kunstmatig maakten door met een optisch pincet een cesiumatoom naast een rubidiumatoom te trekken. Het voordeel van hybride atoom-molecuulsystemen is dat atomen en moleculen zeer verschillende energieën hebben, wat het gemakkelijker zou kunnen maken om er één te manipuleren zonder andere te beïnvloeden. Bovendien kunnen moleculaire qubits zeer lange coherentietijden hebben. Adams benadrukt dat dergelijke hybride systemen minstens tien jaar achterlopen op systemen die uitsluitend uit atomen bestaan, en dat de verstrengeling van twee van dergelijke qubits nog moet worden bereikt. “Hybride systemen zijn erg moeilijk,” zei Thompson, “maar we zullen waarschijnlijk op een gegeven moment gedwongen worden om ze uit te voeren.”

High-Fidelity Qubits

Geen enkele qubit is perfect: ze kunnen allemaal fouten veroorzaken. En als deze onopgemerkt en ongecorrigeerd blijven, vervormen ze het resultaat van de berekening.

Maar een groot obstakel voor alle kwantumcomputers is dat fouten niet kunnen worden geïdentificeerd en gecorrigeerd op de manier waarop dat bij klassieke computers het geval is, waarbij een algoritme eenvoudigweg bijhoudt in welke toestand de bits zich bevinden door kopieën te maken. De sleutel tot quantum computing is dat de toestanden van de qubits onbepaald blijven totdat het eindresultaat is uitgelezen. Als u deze toestanden vóór dat punt probeert te meten, beëindigt u de berekening. Hoe kunnen qubits dan worden beschermd tegen fouten die we niet eens kunnen monitoren?

Eén antwoord is om informatie over veel fysieke qubits te verspreiden – die één enkele “logische qubit” vormen – zodat een fout in een van hen de informatie die ze gezamenlijk coderen niet bederft. Dit wordt pas praktisch als het aantal fysieke qubits dat nodig is voor elke logische qubit niet te groot is. Die overhead hangt gedeeltelijk af van welk foutcorrectie-algoritme wordt gebruikt.

Er zijn foutgecorrigeerde logische qubits gedemonstreerd met supergeleidende en gevangen-ion-qubits, maar tot voor kort was het niet duidelijk of ze uit neutrale atomen kunnen worden gemaakt. Dat veranderde in december, toen het Harvard-team reeksen van enkele honderden gevangen rubidiumatomen onthulde en algoritmen uitvoerde op 48 logische qubits, elk gemaakt van zeven of acht fysieke atomen. De onderzoekers gebruikten het systeem om een ​​eenvoudige logische operatie uit te voeren, een gecontroleerde NOT-poort, waarbij de 1- en 0-statussen van een qubit worden omgedraaid of ongewijzigd blijven, afhankelijk van de status van een tweede 'controle'-qubit. Om de berekeningen uit te voeren, verplaatsten de onderzoekers de atomen tussen drie verschillende gebieden in de vangkamer: een reeks atomen, een interactiegebied (of ‘poortzone’) waar specifieke atomen werden gesleept en verstrikt met behulp van de Rydberg-blokkade, en een uitleeszone . Het is allemaal mogelijk gemaakt, zei Adams, omdat "het Rydberg-systeem je de mogelijkheid biedt om qubits door elkaar te schudden en te beslissen wie met wie communiceert, wat je een flexibiliteit geeft die supergeleidende qubits niet hebben."

Het Harvard-team demonstreerde foutcorrectietechnieken voor enkele eenvoudige logische qubit-algoritmen, hoewel ze voor de grootste, met 48 logische qubits, slechts foutdetectie bereikten. Volgens Thompson toonden deze laatste experimenten aan dat “ze bij voorkeur meetresultaten met fouten kunnen verwerpen, en daarom een ​​subset van uitkomsten met lagere fouten kunnen identificeren.” Deze aanpak wordt postselectie genoemd en hoewel het een rol kan spelen bij de correctie van kwantumfouten, lost het op zichzelf het probleem niet op.

Rydberg-atomen zouden zich kunnen lenen voor nieuwe foutcorrectiecodes. De code die in het Harvard-werk wordt gebruikt, de oppervlaktecode genaamd, ‘is erg populair maar ook erg inefficiënt’, zei Saffman; er zijn meestal veel fysieke qubits nodig om één logische qubit te maken. Andere, efficiëntere voorgestelde foutcorrectiecodes vereisen interacties over een groter bereik tussen qubits, en niet alleen paren van de dichtstbijzijnde buur. Beoefenaars van kwantumcomputing met neutrale atomen denken dat Rydberg-interacties over lange afstanden deze taak zouden moeten volbrengen. “Ik ben extreem optimistisch dat experimenten in de komende twee tot drie jaar ons zullen laten zien dat de overhead niet zo slecht hoeft te zijn als mensen dachten,” zei Lukin.

Hoewel er nog meer moet worden gedaan, beschouwt Steane het werk van Harvard “een stapsgewijze verandering in de mate waarin foutcorrectieprotocollen in het laboratorium zijn gerealiseerd.”

Afdraaien

Dergelijke vooruitgang zorgt ervoor dat Rydberg-atoomqubits zelfs met hun concurrenten kunnen concurreren. “De combinatie van high-fidelity-poorten, de grote aantallen qubits, uiterst nauwkeurige metingen en flexibele connectiviteit stelt ons in staat de Rydberg-atoomarray te beschouwen als een echte concurrent van de supergeleidende en gevangen-ion-qubits”, aldus Steane.

Vergeleken met supergeleidende qubits kost de technologie een fractie van de investeringskosten. De Harvard-groep heeft een spin-offbedrijf genaamd QuEra, die al een 256-qubit Rydberg-kwantumprocessor heeft genoemd Aquila – een analoge ‘kwantumsimulator’, die simulaties kan uitvoeren systemen van veel kwantumdeeltjes – beschikbaar in de cloud in samenwerking met het Braket-kwantumcomputerplatform van Amazon. QuEra werkt ook aan het bevorderen van kwantumfoutcorrectie.

Saffman sloot zich aan bij een bedrijf genaamd Buiging, dat het optische platform met neutrale atomen ontwikkelt voor kwantumsensoren en -communicatie, evenals kwantumcomputers. "Het zou mij niet verbazen als een van de grote IT-bedrijven binnenkort een partnerschap aangaat met een van deze spin-offs", aldus Adams.

"Het is zeker mogelijk om schaalbare foutcorrectie uit te voeren met qubits met neutrale atomen", zegt Thompson. “Ik denk dat 10,000 qubits met neutrale atomen binnen een paar jaar duidelijk mogelijk zijn.” Daarnaast denkt hij dat er praktische beperkingen op het gebied van laservermogen en resolutie nodig zullen zijn modulaire ontwerpen waarin verschillende afzonderlijke atoomarrays met elkaar zijn verbonden.

Als dat gebeurt, wie weet wat er dan van zal komen? “We weten nog niet eens wat we kunnen doen met quantum computing”, zegt Lukin. “Ik hoop echt dat deze nieuwe ontwikkelingen ons zullen helpen deze vragen te beantwoorden.”