Pod koniec ubiegłego roku technologiczny gigant IBM ogłosił coś, co może wydawać się kamieniem milowym w obliczeniach kwantowych: pierwszy w historii chip o nazwie Condor, zawierający ponad 1,000 bitów kwantowych, czyli kubitów. Biorąc pod uwagę, że minęły zaledwie dwa lata od zaprezentowania przez firmę Eagle, pierwszego chipa zawierającego ponad 100 kubitów, wydawało się, że dziedzina technologii pędzi do przodu. Stworzenie komputerów kwantowych, które będą w stanie rozwiązywać przydatne problemy wykraczające poza możliwości nawet najpotężniejszych współczesnych klasycznych superkomputerów, wymaga ich jeszcze większego skalowania — być może do wielu dziesiątek lub setek tysięcy kubitów. Ale to z pewnością tylko kwestia inżynierii, prawda?

Niekoniecznie. Wyzwania związane ze skalowaniem są tak ogromne, że niektórzy badacze uważają, że będzie to wymagało zupełnie innego sprzętu niż mikroelektronika używana przez takie firmy jak IBM i Google. Kubity w Condorze i chipie Sycamore firmy Google są wykonane z pętli materiału nadprzewodzącego. Te nadprzewodzące kubity były jak dotąd zającem w wyścigu do pełnoskalowych obliczeń kwantowych. Ale teraz z tyłu nadchodzi żółw: kubity zbudowane z pojedynczych atomów.

Niedawne postępy sprawiły, że te „kubity atomów neutralnych” z obcych stały się wiodącymi konkurentami.

„W ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat postęp był szybszy niż w jakimkolwiek poprzednim okresie” – powiedział fizyk Mark Saffman z Uniwersytetu Wisconsin w Madison, który naliczył co najmniej pięć firm ścigających się w komercjalizacji obliczeń kwantowych wykorzystujących atomy neutralne.

Podobnie jak bity w zwykłych komputerach, kubity kodują informację binarną — jedyne i zerowe. Ale podczas gdy bit zawsze znajduje się w tym lub innym stanie, informacja w kubicie może pozostać nieokreślona w tak zwanej „superpozycji”, która nadaje wagę obu możliwościom. Aby przeprowadzić obliczenia, kubity łączy się za pomocą zjawiska zwanego splątaniem kwantowym, które sprawia, że ​​ich możliwe stany są współzależne. Konkretny algorytm kwantowy może wymagać następujących po sobie splątań między różnymi zestawami kubitów, a odpowiedź jest odczytywana na końcu obliczeń, gdy wykonywany jest pomiar, zwijając każdą superpozycję do określonej 1 lub 0.

Pomysł wykorzystania stanów kwantowych neutralnych atomów do kodowania informacji w ten sposób był zaproponowane na początku XXI wieku przez fizyka z Harvardu Michaił Lukin i współpracownikom oraz również przez grupę kierowaną przez Iwan Deutsch z Uniwersytetu Nowego Meksyku. Przez długi czas szersza społeczność naukowa zgadzała się, że obliczenia kwantowe z wykorzystaniem atomów neutralnych to w zasadzie świetny pomysł, powiedział Lukin, ale „po prostu nie sprawdza się” w praktyce.

„Ale 20 lat później inne podejścia nie sfinalizowały transakcji” – powiedział Saffman. „A zestaw umiejętności i techniki potrzebne do uruchomienia neutralnych atomów stopniowo ewoluują do punktu, w którym wyglądają bardzo obiecująco”.

Laboratorium Lukina na Harvardzie jest jednym z pionierów. W grudniu on i jego koledzy zgłaszane że stworzyli programowalne obwody kwantowe z setkami kubitów atomów neutralnych i przeprowadzili za ich pomocą obliczenia kwantowe oraz korekcję błędów. A w tym miesiącu zespół z California Institute of Technology zgłaszane że stworzyli tablicę 6,100 kubitów atomowych. Takie wyniki coraz częściej decydują się na takie podejście.

„Dziesięć lat temu nie brałbym pod uwagę tych metod [atomów neutralnych], gdybym zabezpieczał zakłady dotyczące przyszłości obliczeń kwantowych” – powiedział Andrzej Steane, teoretyk informacji kwantowej na Uniwersytecie Oksfordzkim. „To byłby błąd.”

Bitwa pod Kubitami

Kluczową kwestią w rywalizacji między typami kubitów jest to, jak długo każdy rodzaj kubitu może utrzymać swoją superpozycję, zanim zostanie zmieniona przez jakąś losową fluktuację (na przykład termiczną). W przypadku kubitów nadprzewodzących, takich jak kubity IBM i Google, ten „czas koherencji” wynosi zazwyczaj w najlepszym wypadku około milisekundy. Wszystkie etapy obliczeń kwantowych muszą nastąpić w tym przedziale czasowym.

Jedną z zalet kodowania informacji w stanach poszczególnych atomów jest to, że ich czasy koherencji są zazwyczaj znacznie dłuższe. Co więcej, w przeciwieństwie do obwodów nadprzewodzących, wszystkie atomy danego typu są identyczne, więc nie są potrzebne specjalnie zaprojektowane systemy sterowania do wprowadzania i manipulowania subtelnie różnymi stanami kwantowymi.

I choć okablowanie używane do łączenia nadprzewodzących kubitów w obwody kwantowe może stać się strasznie skomplikowane – tym bardziej w miarę skalowania systemu – w przypadku atomów nie jest potrzebne żadne okablowanie. Całe splątanie odbywa się za pomocą światła laserowego.

Korzyść ta początkowo stanowiła wyzwanie. Istnieje dobrze rozwinięta technologia wycinania skomplikowanych obwodów i przewodów mikroelektronicznych, a jednym z prawdopodobnych powodów, dla których IBM i Google początkowo zainwestowały w kubity nadprzewodzące, nie jest to, że były one oczywiście najlepsze, ale dlatego, że wymagały rodzaju obwodów, do których przyzwyczajone są takie firmy, powiedział Stuarta Adamsa, fizyk z Uniwersytetu w Durham w Wielkiej Brytanii, zajmujący się obliczeniami kwantowymi na atomach neutralnych. „Laserowa optyka atomowa wydawała im się zupełnie obca. Cała inżynieria jest zupełnie inna.”

Kubity zbudowane z elektrycznie naładowanych atomów – zwane jonami – można również kontrolować za pomocą światła, a jony od dawna uważano za lepszych kandydatów na kubity niż atomy neutralne. Ze względu na swój ładunek jony stosunkowo łatwo można uwięzić w polu elektrycznym. Naukowcy stworzyli pułapki jonowe, zawieszając jony w maleńkiej wnęce próżniowej w bardzo niskich temperaturach (aby uniknąć drgań termicznych), podczas gdy wiązki laserowe przełączają je między różnymi stanami energetycznymi w celu manipulowania informacjami. Zademonstrowano już komputery kwantowe z pułapką jonową, posiadające dziesiątki kubitów, a kilka start-upów pracuje nad technologią umożliwiającą jej komercjalizację. „Jak dotąd system o najwyższej wydajności pod względem wierności, kontroli i spójności zawierał jony w pułapce” – powiedział Saffman.

Uwięzienie neutralnych atomów jest trudniejsze, ponieważ nie ma ładunku, który można by utrzymać. Zamiast tego atomy są unieruchomione w polach intensywnego światła wytwarzanych przez wiązki laserowe, zwanych pęsetami optycznymi. Atomy zazwyczaj wolą siedzieć tam, gdzie pole świetlne jest najbardziej intensywne.

Jest też problem z jonami: wszystkie mają ładunek elektryczny tego samego znaku. Oznacza to, że kubity odpychają się nawzajem. Umieszczenie wielu z nich w tej samej małej przestrzeni staje się tym trudniejsze, im więcej jest jonów. W przypadku atomów neutralnych nie ma takiego napięcia. To, jak twierdzą naukowcy, sprawia, że ​​kubity z atomami neutralnymi są znacznie bardziej skalowalne.

Co więcej, uwięzione jony ułożone są w rzędzie (lub, ostatnio, w pętli „tor wyścigowy”). Taka konfiguracja utrudnia splątanie jednego kubitu jonowego z innym, powiedzmy 20 miejscami w rzędzie. „Pułapki jonowe są z natury jednowymiarowe” – powiedział Adams. „Trzeba ułożyć je w linii i bardzo trudno jest zobaczyć, jak w ten sposób uzyskać do tysiąca kubitów”.

Układy atomów neutralnych mogą być dwuwymiarową siatką, którą znacznie łatwiej jest skalować. „Możesz umieścić wiele w tym samym systemie, a one nie będą ze sobą współdziałać, jeśli tego nie chcesz” – powiedział Saffman. Jego grupa i inni uwięzili w ten sposób ponad 1,000 neutralnych atomów. „Wierzymy, że możemy zmieścić dziesiątki, a nawet setki tysięcy w urządzeniu o skali centymetrowej” – powiedział.

Rzeczywiście, w swojej ostatniej pracy zespół z Caltech stworzył układ pęsety optycznej składający się z około 6,100 obojętnych atomów cezu, chociaż nie przeprowadził jeszcze z nimi żadnych obliczeń kwantowych. Kubity te miały również czas koherencji wynoszący aż 12.6 sekundy, co jest jak dotąd rekordem dla tego typu kubitów.

Blokada Rydberga

Aby dwa lub więcej kubitów zostało splątanych, muszą ze sobą oddziaływać. Atomy neutralne „wyczuwają” swoją obecność za pomocą tak zwanych sił van der Waalsa, które powstają w wyniku reakcji jednego atomu na wahania chmury elektronów w innym pobliskim atomie. Ale te słabe siły są odczuwalne tylko wtedy, gdy atomy są bardzo blisko siebie. Manipulowanie normalnymi atomami z wymaganą precyzją za pomocą pól świetlnych jest po prostu niemożliwe.

Jak Lukin i jego współpracownicy wskazali w swojej pierwotnej propozycji z 2000 roku, odległość interakcji można radykalnie zwiększyć, jeśli zwiększymy rozmiar samych atomów. Im więcej energii ma elektron, tym dalej ma tendencję do oddalania się od jądra atomowego. Jeśli za pomocą lasera wpompuje się elektron do stanu energetycznego znacznie większego niż zwykle występujący w atomach – zwanego stanem Rydberga na cześć szwedzkiego fizyka Johannesa Rydberga, który w latach osiemdziesiątych XIX wieku badał sposób, w jaki atomy emitują światło o określonej długości fali – elektron mogą przemieszczać się tysiące razy dalej od jądra niż zwykle.

To zwiększenie rozmiaru umożliwia interakcję dwóch atomów oddalonych od siebie o kilka mikrometrów – co jest całkowicie możliwe w pułapkach optycznych.

Aby wdrożyć algorytm kwantowy, badacze najpierw kodują informację kwantową w parze poziomów energii atomowej, używając laserów do przełączania elektronów między poziomami. Następnie splatają stany atomów, włączając między nimi interakcje Rydberga. Dany atom może zostać wzbudzony do stanu Rydberga lub nie, w zależności od tego, na którym z dwóch poziomów energii znajduje się jego elektron — tylko jeden z nich ma odpowiednią energię, aby rezonować z częstotliwością lasera wzbudzającego. A jeśli atom aktualnie oddziałuje z innym, częstotliwość wzbudzenia zmienia się nieznacznie, tak że elektron nie będzie rezonował ze światłem i nie będzie mógł wykonać skoku. Oznacza to, że tylko jeden lub drugi z pary oddziałujących ze sobą atomów może w dowolnym momencie utrzymać stan Rydberga; ich stany kwantowe są skorelowane – czyli innymi słowy, splątane. Najpierw ta tak zwana blokada Rydberga zaproponowane przez Lukina i współpracowników w 2001 roku jako sposób na splątanie kubitów z atomami Rydberga, to efekt „wszystko albo nic”: albo jest blokada Rydberga, albo jej nie ma. „Blokada Rydberga sprawia, że ​​interakcje między atomami stają się cyfrowe” – powiedział Lukin.

Pod koniec obliczeń lasery odczytują stany atomów: jeśli atom znajduje się w stanie rezonansowym z oświetleniem, światło jest rozproszone, natomiast jeśli jest w innym stanie, rozproszenie nie następuje.

W 2004 roku zespół na Uniwersytecie Connecticut wykazać blokada Rydberga pomiędzy atomami rubidu, uwięziona i schłodzona do zaledwie 100 mikrokelwinów powyżej zera absolutnego. Schłodzili atomy za pomocą laserów, które „wysysały” energię cieplną atomów. Podejście to oznacza, że ​​w przeciwieństwie do kubitów nadprzewodzących, atomy obojętne nie wymagają chłodzenia kriogenicznego ani uciążliwych czynników chłodniczych. Dzięki temu systemy te mogą być bardzo kompaktowe. „Aparat jako całość ma temperaturę pokojową” – powiedział Saffman. „Jeden centymetr od tych superzimnych atomów znajduje się okno o temperaturze pokojowej”.

W 2010 roku Saffman i jego współpracownicy zgłaszane pierwsza bramka logiczna — podstawowy element komputerów, w których jeden lub więcej binarnych sygnałów wejściowych generuje określone wyjście binarne — zbudowana z dwóch atomów za pomocą blokady Rydberga. Następnie, co najważniejsze, w 2016 r. zespół Lukina i grupy badawcze we Francji i Korei Południowej niezależnie pojąć jak załaduj wiele neutralnych atomów w układy pułapek optycznych i przemieszczaj je według własnego uznania. „Ta innowacja tchnęła nowe życie w tę dziedzinę” – powiedział Stephana Dürra z Instytutu Optyki Kwantowej Maxa Plancka w Garching w Niemczech, który wykorzystuje atomy Rydberga do eksperymentów z kwantowym przetwarzaniem informacji w oparciu o światło.

Większość dotychczasowych prac wykorzystuje atomy rubidu i cezu, ale fizyka Jeff Thompson na Uniwersytecie Princeton preferuje kodowanie informacji w stanach spinu jądrowego atomów metali, takich jak stront i iterb, które mają jeszcze dłuższe czasy koherencji. W październiku ubiegłego roku Thompson i współpracownicy zgłaszane dwukubitowe bramki logiczne wykonane z tych układów.

A blokady Rydberga nie muszą znajdować się pomiędzy pojedynczymi atomami. Zeszłego lata Adams i jego współpracownicy pokazał że mogą stworzyć blokadę Rydberga między atomem a uwięzioną cząsteczką, którą utworzyli sztucznie, używając pęsety optycznej do przyciągania atomu cezu obok atomu rubidu. Zaletą hybrydowych układów atom-cząsteczka jest to, że atomy i cząsteczki mają bardzo różne energie, co może ułatwić manipulowanie jednym z nich bez wpływu na inne. Co więcej, kubity molekularne mogą mieć bardzo długie czasy koherencji. Adams podkreśla, że ​​takie układy hybrydowe są co najmniej 10 lat w tyle za układami składającymi się z samych atomów, a splątanie dwóch takich kubitów nie zostało jeszcze osiągnięte. „Systemy hybrydowe są naprawdę trudne” – powiedział Thompson – „ale prawdopodobnie w pewnym momencie będziemy zmuszeni je zastosować”.

Kubity o wysokiej wierności

Żaden kubit nie jest doskonały: wszystkie mogą powodować błędy. A jeśli pozostaną niewykryte i nieskorygowane, zakłócają wynik obliczeń.

Jednak dużą przeszkodą w obliczeniach kwantowych jest to, że błędów nie można zidentyfikować i skorygować w taki sam sposób, jak w przypadku klasycznych komputerów, gdzie algorytm po prostu śledzi stan bitów, tworząc kopie. Kluczem do obliczeń kwantowych jest to, że stany kubitów pozostają nieokreślone aż do odczytania końcowego wyniku. Jeśli spróbujesz zmierzyć te stany przed tym punktem, zakończysz obliczenia. Jak zatem można chronić kubity przed błędami, których nie możemy nawet monitorować?

Jedną z odpowiedzi jest rozłożenie informacji na wiele fizycznych kubitów — tworzących pojedynczy „kubit logiczny” — tak, aby błąd w jednym z nich nie uszkodził informacji, które wspólnie kodują. Staje się to praktyczne tylko wtedy, gdy liczba fizycznych kubitów potrzebnych dla każdego kubitu logicznego nie jest zbyt duża. Koszt ten zależy częściowo od zastosowanego algorytmu korekcji błędów.

Wykazano, że kubity logiczne z korekcją błędów obejmują kubity nadprzewodzące i kubity z uwięzionymi jonami, ale do niedawna nie było jasne, czy można je wykonać z atomów obojętnych. Zmieniło się to w grudniu, kiedy zespół z Harvardu odsłonił układy kilkuset uwięzionych atomów rubidu i uruchomił algorytmy na 48 kubitach logicznych, każdy zbudowany z siedmiu lub ośmiu atomów fizycznych. Naukowcy wykorzystali system do przeprowadzenia prostej operacji logicznej zwanej kontrolowaną bramką NOT, w której stany 1 i 0 kubitu są odwracane lub pozostawiane bez zmian w zależności od stanu drugiego kubitu „kontrolnego”. Aby przeprowadzić obliczenia, badacze przesunęli atomy pomiędzy trzema odrębnymi obszarami w komorze pułapkowej: układem atomów, obszarem interakcji (lub „strefą bramki”), w którym określone atomy były przeciągane i splątane przy użyciu blokady Rydberga, oraz strefą odczytu . To wszystko jest możliwe, powiedział Adams, ponieważ „system Rydberg oferuje całą tę możliwość mieszania kubitów i decydowania, kto z kim wchodzi w interakcję, co zapewnia elastyczność, której nie mają kubity nadprzewodzące”.

Zespół z Harvardu zademonstrował techniki korekcji błędów dla niektórych prostych algorytmów kubitów logicznych, chociaż w przypadku największych, obejmujących 48 kubitów logicznych, udało im się jedynie wykryć błąd. Według Thompsona te ostatnie eksperymenty wykazały, że „mogą preferencyjnie odrzucać wyniki pomiarów obarczone błędami, a tym samym identyfikować podzbiór wyników o niższych błędach”. Podejście to nazywa się postselekcją i choć może odgrywać rolę w korekcji błędów kwantowych, samo w sobie nie rozwiązuje problemu.

Atomy Rydberga mogą przydać się do opracowania nowatorskich kodów korygujących błędy. Ten zastosowany w pracy na Harvardzie, zwany kodem powierzchniowym, „jest bardzo popularny, ale także bardzo nieefektywny” – stwierdził Saffman; zwykle wymaga wielu kubitów fizycznych, aby utworzyć jeden kubit logiczny. Inne, bardziej wydajne proponowane kody korygujące błędy wymagają interakcji o większym zasięgu między kubitami, a nie tylko par najbliższego sąsiada. Praktycy obliczeń kwantowych na atomach neutralnych uważają, że interakcje Rydberga dalekiego zasięgu powinny sprostać temu zadaniu. „Jestem niezwykle optymistyczny, że eksperymenty przeprowadzone w ciągu najbliższych dwóch–trzech lat pokażą nam, że koszty ogólne nie muszą być tak duże, jak ludzie myśleli” – powiedział Lukin.

Choć jest jeszcze wiele do zrobienia, Steane uważa, że ​​prace na Harvardzie stanowią „skokową zmianę w stopniu, w jakim protokoły korekcji błędów zostały zrealizowane w laboratorium”.

Wydzielenie

Dzięki takim postępom kubity z atomami Rydberga rysują się nawet na tle konkurencji. „Połączenie bramek o wysokiej wierności, dużej liczby kubitów, pomiarów o wysokiej dokładności i elastycznej łączności pozwala nam uznać układ atomów Rydberga za prawdziwego konkurenta dla kubitów nadprzewodzących i kubitów z uwięzionymi jonami” – powiedział Steane.

W porównaniu z kubitami nadprzewodzącymi, technologia ta kosztuje ułamek kosztów inwestycji. Grupa Harvard ma spółkę typu spin-off o nazwie Quera, która stworzyła już 256-kubitowy procesor kwantowy Rydberg tzw Aquila — analogowy „symulator kwantowy”, w którym można przeprowadzać symulacje układy wielu cząstek kwantowych — dostępne w chmurze we współpracy z platformą obliczeń kwantowych Braket firmy Amazon. QuEra pracuje również nad udoskonaleniem korekcji błędów kwantowych.

Saffman dołączył do firmy o nazwie fleksja, która opracowuje platformę optyczną z atomami neutralnymi na potrzeby czujników kwantowych i komunikacji, a także obliczeń kwantowych. „Nie zdziwiłbym się, gdyby jedna z dużych firm informatycznych wkrótce nawiązała współpracę z jedną z tych spółek spinoff” – powiedział Adams.

„Przeprowadzenie skalowalnej korekcji błędów za pomocą kubitów zawierających atomy neutralne jest zdecydowanie możliwe” – powiedział Thompson. „Myślę, że w ciągu kilku lat z całą pewnością możliwe będzie powstanie 10,000 XNUMX kubitów zawierających atomy neutralne”. Poza tym uważa, że ​​konieczne będą praktyczne ograniczenia mocy i rozdzielczości lasera konstrukcje modułowe w którym kilka odrębnych układów atomów jest ze sobą połączonych.

Jeśli tak się stanie, kto wie, co z tego wyniknie? „Nie wiemy jeszcze nawet, co możemy zrobić za pomocą obliczeń kwantowych” – powiedział Lukin. „Naprawdę mam nadzieję, że te nowe osiągnięcia pomogą nam odpowiedzieć na te pytania”.