På slutten av fjoråret kunngjorde teknologigiganten IBM det som kan høres ut som en milepæl innen kvanteberegning: den første brikken noensinne, kalt Condor, med mer enn 1,000 kvantebiter, eller qubits. Gitt at dette var knapt to år etter at selskapet avduket Eagle, den første brikken med mer enn 100 qubits, så det ut som om feltet raste fremover. Å lage kvantedatamaskiner som kan løse nyttige problemer utenfor omfanget av selv de mektigste av dagens klassiske superdatamaskiner krever å skalere dem opp enda mer – til kanskje mange titalls eller hundretusener av qubits. Men det er vel bare et spørsmål om ingeniørkunst, ikke sant?

Ikke nødvendigvis. Utfordringene med å oppskalere er så store at noen forskere tror det vil kreve en helt annen maskinvare enn mikroelektronikken som brukes av slike som IBM og Google. Qubitene i Condoren og i Googles Sycamore-brikke er laget av løkker av superledende materiale. Disse superledende qubitene har så langt vært haren i kappløpet mot fullskala kvanteberegning. Men nå er det en skilpadde som kommer bakfra: qubits laget av individuelle atomer.

Nylige fremskritt har forvandlet disse "nøytral-atom qubits" fra outsidere til ledende utfordrere.

"De siste to eller tre årene har det vært raskere fremskritt enn noen tidligere slik periode," sa fysikeren Mark Saffman fra University of Wisconsin, Madison, som talte minst fem selskaper som kjempet for å kommersialisere nøytral-atom kvantedatabehandling.

Som bitene i vanlige datamaskiner, koder qubits binær informasjon - 1s og 0s. Men mens en bit alltid er i den ene eller den andre tilstanden, kan informasjonen i en qubit stå ubestemt, i en såkalt "superposisjon" som gir vekt til begge mulighetene. For å utføre en beregning kobles qubits ved hjelp av fenomenet som kalles kvanteforviklinger, som gjør deres mulige tilstander avhengige av hverandre. En bestemt kvantealgoritme kan kreve en rekke sammenfiltringer mellom forskjellige sett med qubits, og svaret leses opp på slutten av beregningen når en måling gjøres, og kollapser hver superposisjon ned til en bestemt 1 eller 0.

Ideen om å bruke kvantetilstandene til nøytrale atomer for å kode informasjon på denne måten var foreslått tidlig på 2000-tallet av Harvard-fysikeren Mikhail Lukin og kolleger, og også av en gruppe ledet av Ivan Deutsch ved University of New Mexico. I lang tid var det bredere forskningsmiljøet enige om at kvanteberegning med nøytral atom var en god idé i prinsippet, sa Lukin, men at "det bare ikke fungerer" i praksis.

"Men 20 år senere har de andre tilnærmingene ikke lukket avtalen," sa Saffman. "Og ferdighetene og teknikkene som trengs for å få nøytrale atomer til å fungere har gradvis utviklet seg til et punkt hvor de ser veldig lovende ut."

Lukins laboratorium ved Harvard har vært blant de som har ledet an. I desember kom han og kollegene rapportert at de laget programmerbare kvantekretser med hundrevis av nøytralatom-qubits og hadde utført kvanteberegninger og feilretting med dem. Og denne måneden, et team ved California Institute of Technology rapportert at de laget en rekke med 6,100 atomære qubits. Slike resultater vinner stadig flere konvertitter til denne tilnærmingen.

"For ti år siden ville jeg ikke ha inkludert disse [nøytrale atom]-metodene hvis jeg sikret veddemål på fremtiden for kvanteberegning," sa Andrew Steane, en kvanteinformasjonsteoretiker ved University of Oxford. – Det ville vært en feil.

Slaget ved Qubits

Et nøkkelspørsmål i konkurransen mellom qubit-typer er hvor lenge hver type qubit kan opprettholde sin superposisjon før den endres av en tilfeldig (for eksempel termisk) fluktuasjon. For superledende qubits som IBMs og Googles, er denne "koherenstiden" vanligvis rundt et millisekund i beste fall. Alle trinn i en kvanteberegning må skje innenfor den tidsrammen.

En fordel med å kode informasjon i tilstandene til individuelle atomer er at koherenstidene deres vanligvis er langt lengre. Dessuten, i motsetning til superledende kretser, er atomer av en gitt type alle identiske, så skreddersydde kontrollsystemer er ikke nødvendig for å legge inn og manipulere subtilt forskjellige kvantetilstander.

Og mens ledningene som brukes til å koble opp superledende qubits til kvantekretser, kan bli fryktelig komplisert - mer ettersom systemet skalerer opp - er det ikke nødvendig med ledninger når det gjelder atomer. All sammenfiltring gjøres ved hjelp av laserlys.

Denne fordelen ga i utgangspunktet en utfordring. Det er en velutviklet teknologi for å skjære ut kompliserte mikroelektroniske kretser og ledninger, og en sannsynlig grunn til at IBM og Google opprinnelig investerte i superledende qubits er ikke fordi disse åpenbart var de beste, men fordi de krevde den typen kretser slike selskaper er vant til, sa Stuart Adams, en fysiker ved Durham University i Storbritannia som jobber med nøytral-atom kvanteberegning. «Laserbasert atomoptikk så helt ukjent ut for dem. All ingeniørkunst er helt annerledes.»

Qubits laget av elektrisk ladede atomer - kjent som ioner - kan også kontrolleres med lys, og ioner ble lenge sett på som bedre qubit-kandidater enn nøytrale atomer. På grunn av ladningen er ioner relativt enkle å fange i elektriske felt. Forskere har laget ionefeller ved å suspendere ionene i et lite vakuumhulrom ved ultralave temperaturer (for å unngå termisk jiggling) mens laserstråler bytter dem mellom forskjellige energitilstander for å manipulere informasjonen. Ion-trap kvantedatamaskiner med dusinvis av qubits er nå demonstrert, og flere startups utvikler teknologien for kommersialisering. "Så langt har systemet med den høyeste ytelsen når det gjelder troskap, kontroll og sammenheng vært fanget ioner," sa Saffman.

Å fange nøytrale atomer er vanskeligere fordi det ikke er noen ladning å holde på. I stedet er atomene immobilisert innenfor felt med intenst lys skapt av laserstråler, kalt optisk pinsett. Atomene foretrekker vanligvis å sitte der lysfeltet er mest intenst.

Og det er et problem med ioner: De har alle en elektrisk ladning med samme fortegn. Det betyr at qubitene frastøter hverandre. Å blokkere mange av dem på samme lille plass blir vanskeligere jo flere ioner det er. Med nøytrale atomer er det ingen slik spenning. Dette, sier forskere, gjør nøytral-atom-qubiter mye mer skalerbare.

Dessuten er fangede ioner ordnet på rad (eller nylig en løkke "Ovalt”). Denne konfigurasjonen gjør det vanskelig å vikle en ion-qubit sammen med en annen, for eksempel 20 steder langs raden. "Ionefeller er iboende endimensjonale," sa Adams. "Du må ordne dem i en linje, og det er veldig vanskelig å se hvordan du kommer opp til tusen qubits på den måten."

Nøytral-atommatriser kan være et todimensjonalt rutenett, som er mye lettere å skalere opp. "Du kan legge mye i det samme systemet, og de samhandler ikke når du ikke vil at de skal gjøre det," sa Saffman. Gruppen hans og andre har fanget over 1,000 nøytrale atomer på denne måten. "Vi tror vi kan pakke titalls eller til og med hundretusener i en enhet i centimeterskala," sa han.

Faktisk, i sitt nylige arbeid, laget teamet ved Caltech en optisk pinsett-array på rundt 6,100 nøytrale cesiumatomer, selv om de ennå ikke har utført noen kvanteberegninger med dem. Disse qubitene hadde også koherenstider på hele 12.6 sekunder, en rekord så langt for denne qubit-typen.

Rydbergblokaden

For at to eller flere qubits skal bli viklet inn, må de samhandle med hverandre. Nøytrale atomer "føler" hverandres tilstedeværelse via såkalte van der Waals-krefter, som oppstår fra måten ett atom reagerer på svingninger i elektronskyen i et annet atom i nærheten. Men disse svake kreftene merkes bare når atomene er ekstremt nær hverandre. Å manipulere normale atomer til den nødvendige presisjonen ved hjelp av lysfelt kan bare ikke gjøres.

Som Lukin og hans kolleger påpekte i sitt opprinnelige forslag tilbake i 2000, kan interaksjonsavstanden økes dramatisk hvis vi øker størrelsen på selve atomene. Jo mer energi et elektron har, jo lenger har det en tendens til å streife fra atomkjernen. Hvis en laser brukes til å pumpe opp et elektron til en energitilstand som er langt større enn de som vanligvis finnes i atomer - kalt en Rydberg-tilstand etter den svenske fysikeren Johannes Rydberg, som på 1880-tallet studerte måten atomer sender ut lys ved diskrete bølgelengder - elektronet kan streife tusenvis av ganger lenger ut fra kjernen enn vanlig.

Denne økningen i størrelse gjør at to atomer som holdes flere mikrometer fra hverandre – perfekt mulig i optiske feller – kan samhandle.

For å implementere en kvantealgoritme koder forskerne først kvanteinformasjon i et par atomenerginivåer, ved å bruke lasere for å bytte elektroner mellom nivåene. De vikler deretter inn atomenes tilstander ved å slå på Rydberg-interaksjonene mellom dem. Et gitt atom kan være eksitert til en Rydberg-tilstand eller ikke, avhengig av hvilket av de to energinivåene elektronet er i - bare ett av disse sitter på riktig energi til å resonere med frekvensen til eksitasjonslaseren. Og hvis atomet for øyeblikket interagerer med et annet, skifter denne eksitasjonsfrekvensen litt slik at elektronet ikke vil resonere med lyset og ikke være i stand til å hoppe. Dette betyr at bare det ene eller det andre av et par interagerende atomer kan opprettholde en Rydberg-tilstand til enhver tid; deres kvantetilstander er korrelerte - eller med andre ord, sammenfiltret. Denne såkalte Rydberg-blokaden, først foreslått av Lukin og kolleger i 2001 som en måte å vikle Rydberg-atom-qubits, er en alt-eller-ingenting-effekt: Enten er det en Rydberg-blokade eller så er det ikke. "Rydberg-blokaden gjør interaksjoner mellom atomer digitale," sa Lukin.

På slutten av beregningen leser lasere ut atomenes tilstand: Hvis et atom er i den tilstanden som er resonans med belysningen, blir lyset spredt, men hvis det er i den andre tilstanden, er det ingen spredning.

I 2004, et team ved University of Connecticut demonstrert en Rydberg-blokade mellom rubidium-atomer, fanget og avkjølt til bare 100 mikrokelvin over absolutt null. De avkjølte atomene ved å bruke lasere for å "suge ut" atomenes termiske energi. Tilnærmingen betyr at, i motsetning til superledende qubits, krever nøytrale atomer ingen kryogen kjøling og ingen tungvinte kjølemidler. Disse systemene kan derfor gjøres svært kompakte. "Apparatet som helhet er ved romtemperatur," sa Saffman. "En centimeter unna disse superkalde atomene har du et romtemperaturvindu."

I 2010 Saffman og hans medarbeidere rapportert den første logiske porten - et grunnleggende element i datamaskiner, der ett eller flere binære inngangssignaler genererer en bestemt binær utgang - laget av to atomer ved å bruke Rydberg-blokaden. Så, avgjørende, i 2016, Lukins team og forskningsgrupper i Frankrike og Sør-Korea alle uavhengig av hverandre fant ut hvordan laste mange nøytrale atomer inn i en rekke optiske feller og flytte dem rundt etter eget ønske. "Denne innovasjonen brakte nytt liv til feltet," sa Stephan Dürr ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland, som bruker Rydberg-atomer til eksperimenter i lysbasert kvanteinformasjonsbehandling.

Mye av arbeidet så langt bruker rubidium og cesium atomer, men fysikeren Jeff Thompson ved Princeton University foretrekker å kode informasjonen i de kjernefysiske spinntilstandene til metallatomer som strontium og ytterbium, som har enda lengre koherenstider. I oktober i fjor, Thompson og kolleger rapportert to-qubit logiske porter laget av disse systemene.

Og Rydberg-blokader trenger ikke være mellom ensomme atomer. I fjor sommer, Adams og hans medarbeidere viste at de kunne lage en Rydberg-blokade mellom et atom og et fanget molekyl, som de laget kunstig ved å bruke optisk pinsett for å trekke et cesium-atom ved siden av et rubidium-atom. Fordelen med hybride atom-molekylsystemer er at atomer og molekyler har svært forskjellige energier, noe som kan gjøre det lettere å manipulere en uten å påvirke andre. Dessuten kan molekylære qubits ha veldig lange koherenstider. Adams understreker at slike hybridsystemer er minst 10 år bak alle-atomsystemer, og sammenfiltring av to slike qubits har ennå ikke blitt oppnådd. "Hybridsystemer er veldig vanskelige," sa Thompson, "men vi vil sannsynligvis bli tvunget til å gjøre dem på et tidspunkt."

High-Fidelity Qubits

Ingen qubit er perfekt: Alle kan pådra seg feil. Og hvis disse blir uoppdaget og ukorrigert, forvrider de resultatet av beregningen.

Men en stor hindring for all kvanteberegning er at feil ikke kan identifiseres og korrigeres på den måten de er for klassiske datamaskiner, der en algoritme rett og slett holder styr på hvilke tilstander bitene er i ved å lage kopier. Nøkkelen til kvanteberegning er at qubitenes tilstand forblir ubestemt til det endelige resultatet er lest opp. Hvis du prøver å måle disse tilstandene før det punktet, avslutter du beregningen. Hvordan kan da qubits beskyttes mot feil som vi ikke engang kan overvåke?

Ett svar er å spre informasjon over mange fysiske qubits - som utgjør en enkelt "logisk qubit" - slik at en feil i en av dem ikke ødelegger informasjonen de til sammen koder. Dette blir bare praktisk hvis antallet fysiske qubits som trengs for hver logiske qubit ikke er for stort. Den overheaden avhenger delvis av hvilken feilkorrigerende algoritme som brukes.

Feilkorrigerte logiske qubits har blitt demonstrert med superledende og fanget-ion-qubits, men inntil nylig har det ikke vært klart om de kan lages fra nøytrale atomer. Det endret seg i desember, da Harvard-teamet avduket arrays av flere hundre fangede rubidiumatomer og kjørte algoritmer på 48 logiske qubits, hver laget av syv eller åtte fysiske atomer. Forskerne brukte systemet til å utføre en enkel logisk operasjon kalt en kontrollert NOT-port, der en qubits 1- og 0-tilstander blir snudd eller forlatt uendret avhengig av tilstanden til en andre "kontroll"-qubit. For å utføre beregningene flyttet forskerne atomene mellom tre distinkte regioner i fangstkammeret: en rekke atomer, en interaksjonsregion (eller "portsone") der spesifikke atomer ble dratt og viklet inn ved hjelp av Rydberg-blokaden, og en avlesningssone . Alt er gjort mulig, sa Adams, fordi "Rydberg-systemet gir deg all denne muligheten til å stokke qubits rundt og bestemme hvem som samhandler med hvem, noe som gir deg en fleksibilitet som superledende qubits ikke har."

Harvard-teamet demonstrerte feilrettingsteknikker for noen enkle logiske qubit-algoritmer, men for de største, med 48 logiske qubits, oppnådde de bare feildeteksjon. I følge Thompson viste de sistnevnte eksperimentene at "de kan fortrinnsvis avvise måleresultater med feil, og derfor identifisere et undersett av utfall med lavere feil." Denne tilnærmingen kalles post-seleksjon, og selv om den kan spille en rolle i kvantefeilkorreksjon, løser den ikke i seg selv problemet.

Rydberg-atomer kan egne seg til nye feilkorrigerende koder. Den som ble brukt i Harvard-arbeidet, kalt overflatekoden, "er veldig populær, men også veldig ineffektiv," sa Saffman; det har en tendens til å kreve mange fysiske qubits for å lage en logisk qubit. Andre, mer effektive foreslåtte feilkorrigerende koder krever interaksjoner med lengre rekkevidde mellom qubits, ikke bare parringer med nærmeste nabo. Utøvere av kvanteberegning med nøytral atom mener langdistanse Rydberg-interaksjoner bør være opp til oppgaven. "Jeg er ekstremt optimistisk at eksperimenter i løpet av de neste to til tre årene vil vise oss at overhead ikke trenger å være så ille som folk trodde," sa Lukin.

Selv om det fortsatt er mer å gjøre, anser Steane Harvard-arbeidet som «en trinnvis endring i graden av feilrettingsprotokoller har blitt realisert i laboratoriet».

Spinning Off

Fremskritt som disse har Rydberg-atom qubits tegning selv med sine konkurrenter. "Kombinasjonen av high-fidelity-porter, det store antallet qubits, målinger med høy nøyaktighet og fleksibel tilkobling tillater oss å betrakte Rydberg-atom-arrayen som en reell konkurrent til de superledende og fanget-ion-qubitene," sa Steane.

Sammenlignet med superledende qubits, kommer teknologien til en brøkdel av investeringskostnaden. Harvard-gruppen har et spinoff-selskap som heter QuEra, som allerede har laget en 256-qubit Rydberg kvanteprosessor kalt Aquila - en analog "kvantesimulator", som kan kjøre simuleringer av systemer av mange kvantepartikler — tilgjengelig på skyen i samarbeid med Amazons Braket-kvantedatabehandlingsplattform. QuEra jobber også med å fremme kvantefeilkorreksjon.

Saffman ble med i et selskap som heter Bøyning, som utvikler den optiske plattformen med nøytralt atom for kvantesensorer og kommunikasjon samt kvantedatabehandling. "Jeg ville ikke bli overrasket om et av de store IT-selskapene snart går inn i et slags partnerskap med en av disse spinoffene," sa Adams.

"Å gjøre skalerbar feilretting med nøytral-atom qubits er definitivt mulig," sa Thompson. "Jeg tror 10,000 XNUMX nøytralatom-qubits er helt klart mulig i løpet av noen få år." Utover det tror han at praktiske begrensninger på laserkraft og oppløsning vil nødvendiggjøre modulære design der flere distinkte atomarrayer er koblet sammen.

Hvis det skjer, hvem vet hva som kommer ut av det? "Vi vet ikke engang ennå hva vi kan gjøre med kvanteberegning," sa Lukin. "Jeg håper virkelig disse nye fremskrittene vil hjelpe oss med å svare på disse spørsmålene."