Geçen yılın sonunda teknoloji devi IBM, kuantum hesaplamada bir dönüm noktası gibi görünebilecek bir şeyi duyurdu: Condor adı verilen ve 1,000'den fazla kuantum biti veya kubiti olan ilk çip. Şirketin 100'den fazla kübite sahip ilk çip olan Eagle'ı piyasaya sürmesinden sadece iki yıl sonra olduğu göz önüne alındığında, saha ileriye doğru yarışıyormuş gibi görünüyordu. Günümüzün en güçlü klasik süper bilgisayarlarının bile kapsamının ötesindeki faydalı sorunları çözebilecek kuantum bilgisayarları yapmak, bunların ölçeğinin daha da büyütülmesini (belki de onlarca veya yüzbinlerce kubit'e) gerektiriyor. Ama bu kesinlikle sadece bir mühendislik meselesi, değil mi?

Şart değil. Ölçeklendirmenin zorlukları o kadar büyük ki, bazı araştırmacılar bunun IBM ve Google gibi şirketlerin kullandığı mikroelektroniklerden tamamen farklı bir donanım gerektireceğini düşünüyor. Condor ve Google'ın Sycamore çipindeki kübitler, süper iletken malzemeden yapılmış halkalardan oluşuyor. Bu süper iletken kübitler şu ana kadar tam ölçekli kuantum hesaplama yarışında tavşan oldu. Ama şimdi arkadan bir kaplumbağa geliyor: Bireysel atomlardan oluşan kübitler.

Son gelişmeler, bu "nötr atom kübitlerini" dışarıdan gelenlerden önde gelen rakiplere dönüştürdü.

Nötr atomlu kuantum bilgisayarını ticarileştirmek için yarışan en az beş şirketin sayıldığı Madison Wisconsin Üniversitesi'nden fizikçi Mark Saffman, "Son iki ya da üç yıl, daha önceki herhangi bir dönemden daha hızlı ilerlemelere tanık oldu" dedi.

Sıradan bilgisayarlardaki bitler gibi, kübitler de ikili bilgileri (1'ler ve 0'lar) kodlar. Ancak bir bit her zaman şu ya da bu durumdayken, bir kübitteki bilgi, her iki olasılığa da ağırlık veren "süperpozisyon" adı verilen bir durumla belirsiz bırakılabilir. Bir hesaplamayı gerçekleştirmek için kübitler, kuantum dolaşıklığı adı verilen ve olası durumlarını birbirine bağımlı hale getiren fenomen kullanılarak birbirine bağlanır. Belirli bir kuantum algoritması, farklı kübit kümeleri arasında bir dizi dolaşma gerektirebilir ve bir ölçüm yapıldığında yanıt, hesaplamanın sonunda okunur ve her süperpozisyon belirli bir 1 veya 0'a indirilir.

Bilgiyi bu şekilde kodlamak için nötr atomların kuantum durumlarını kullanma fikri, önerilen 2000'li yılların başında Harvard'lı fizikçi tarafından Mikhail lukin ve meslektaşlarımız ve Ayrıca liderliğindeki bir grup tarafından Ivan Alman New Mexico Üniversitesi'nden. Lukin, geniş araştırma topluluğunun uzun bir süre boyunca nötr atomlu kuantum hesaplamanın prensipte harika bir fikir olduğu konusunda hemfikir olduğunu ancak pratikte "bunun işe yaramadığını" söyledi.

Saffman, "Fakat 20 yıl sonra diğer yaklaşımlar anlaşmayı tamamlayamadı" dedi. "Ve nötr atomların çalışmasını sağlamak için gereken beceri seti ve teknikler, çok umut verici göründükleri noktaya kadar yavaş yavaş gelişiyor."

Lukin'in Harvard'daki laboratuvarı bu konuda öncü olanlar arasında yer alıyor. Aralık ayında kendisi ve meslektaşları rapor Yüzlerce nötr atom kubiti içeren programlanabilir kuantum devreleri oluşturduklarını ve bunlarla kuantum hesaplamaları ve hata düzeltmeleri gerçekleştirdiklerini söyledi. Ve bu ay Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden bir ekip rapor 6,100 atomik kübitten oluşan bir dizi oluşturduklarını söyledi. Bu tür sonuçlar, bu yaklaşıma yönelenlerin giderek daha fazla kazanmasını sağlıyor.

"On yıl önce kuantum hesaplamanın geleceğine dair bahisleri koruyor olsaydım bu [nötr atom] yöntemlerini dahil etmezdim" dedi Andrew SteaneOxford Üniversitesi'nde kuantum bilgi teorisyeni. "Bu bir hata olurdu."

Qubitlerin Savaşı

Kübit türleri arasındaki rekabetteki önemli bir konu, her bir kübit türünün rastgele (örneğin termal) bir dalgalanma tarafından değiştirilmeden önce süperpozisyonunu ne kadar süre koruyabileceğidir. IBM ve Google'ınki gibi süper iletken kübitler için bu "tutarlılık süresi" genellikle en iyi ihtimalle bir milisaniye civarındadır. Kuantum hesaplamanın tüm adımları bu zaman dilimi içerisinde gerçekleşmelidir.

Bilgiyi tek tek atomların durumlarında kodlamanın bir avantajı, tutarlılık sürelerinin tipik olarak çok daha uzun olmasıdır. Üstelik, süper iletken devrelerden farklı olarak, belirli bir türdeki atomların tümü aynıdır, dolayısıyla çok farklı kuantum durumlarını girmek ve yönetmek için özel kontrol sistemlerine gerek yoktur.

Süperiletken kubitleri kuantum devrelerine bağlamak için kullanılan kablolar korkunç derecede karmaşık hale gelebilirken (sistem büyüdükçe daha da karmaşık hale gelir), atomlar söz konusu olduğunda hiçbir kablolamaya gerek yoktur. Tüm dolaşıklaştırma lazer ışığı kullanılarak yapılır.

Bu fayda başlangıçta bir zorluk teşkil ediyordu. Karmaşık mikroelektronik devreleri ve kabloları şekillendirmek için iyi geliştirilmiş bir teknoloji var ve IBM ve Google'ın başlangıçta süper iletken kübitlere yatırım yapmasının olası bir nedeni, bunların açıkça en iyisi olması değil, bu tür şirketlerin alışık olduğu devre türlerine ihtiyaç duymalarıydı. Stuart AdamsBirleşik Krallık'taki Durham Üniversitesi'nde nötr atom kuantum hesaplaması üzerinde çalışan bir fizikçi. "Lazer bazlı atom optiği onlara tamamen yabancı görünüyordu. Bütün mühendislik tamamen farklı.”

Elektrik yüklü atomlardan oluşan (iyon olarak bilinen) kübitler de ışıkla kontrol edilebiliyor ve iyonlar uzun süre boyunca nötr atomlardan daha iyi kübit adayları olarak görülüyordu. Yükleri nedeniyle iyonların elektrik alanlarında yakalanması nispeten kolaydır. Araştırmacılar, iyonları ultra düşük sıcaklıklarda (termal dalgalanmayı önlemek için) küçük bir vakum boşluğunda süspanse ederek iyon tuzakları oluşturdular ve lazer ışınları bilgiyi manipüle etmek için onları farklı enerji durumları arasında değiştiriyor. Düzinelerce kubit içeren iyon tuzağı kuantum bilgisayarları artık gösterildi ve birçok yeni girişim, ticarileştirme teknolojisini geliştiriyor. Saffman, "Şu ana kadar aslına uygunluk, kontrol ve tutarlılık açısından en yüksek performansa sahip sistem iyonları hapsetti" dedi.

Nötr atomları yakalamak daha zordur çünkü tutunacak bir yük yoktur. Bunun yerine atomlar, optik cımbız adı verilen lazer ışınlarının yarattığı yoğun ışık alanları içinde hareketsiz hale getirilir. Atomlar genellikle ışık alanının en yoğun olduğu yerde oturmayı tercih ederler.

Ve iyonlarla ilgili bir sorun var: Hepsi aynı işaretli elektrik yüküne sahip. Bu da kübitlerin birbirini ittiği anlamına geliyor. İyonların sayısı arttıkça bunların çoğunu aynı küçük alana sıkıştırmak zorlaşıyor. Nötr atomlarda böyle bir gerilim yoktur. Araştırmacılar, bunun nötr atom kübitlerini çok daha ölçeklenebilir hale getirdiğini söylüyor.

Dahası, hapsolmuş iyonlar bir sıra halinde (ya da yakın zamanda bir döngü şeklinde) düzenlenmiştir.yarış pisti”). Bu konfigürasyon, bir iyon kubitinin diğeriyle, yani sıra boyunca 20 yerde dolaşmasını zorlaştırıyor. Adams, "İyon tuzakları doğası gereği tek boyutludur" dedi. "Onları bir sıraya göre düzenlemeniz gerekiyor ve bu şekilde bin kübite nasıl ulaştığınızı görmek çok zor."

Nötr atom dizileri, ölçeklendirilmesi çok daha kolay olan iki boyutlu bir ızgara olabilir. Saffman, "Aynı sisteme pek çok şey koyabilirsiniz ve siz istemediğiniz zaman bunlar etkileşime girmez" dedi. Onun grubu ve diğerleri bu şekilde 1,000'den fazla nötr atomu hapsetmeyi başardılar. "Onlarca, hatta yüz binlerce kişiyi santimetre ölçeğindeki bir cihaza sığdırabileceğimize inanıyoruz" dedi.

Aslında, Caltech'teki ekip son çalışmalarında yaklaşık 6,100 nötr sezyum atomundan oluşan bir optik cımbız dizisi oluşturdu, ancak bunlarla henüz herhangi bir kuantum hesaplaması yapmadılar. Bu kübitler aynı zamanda 12.6 saniye gibi muazzam bir tutarlılık süresine sahipti; bu, bu kübit türü için şimdiye kadar bir rekordu.

Rydberg Ablukası

İki veya daha fazla kübitin dolanık hale gelmesi için birbirleriyle etkileşime girmeleri gerekir. Nötr atomlar, bir atomun yakındaki başka bir atomdaki elektron bulutundaki dalgalanmalara tepki verme şeklinden ortaya çıkan van der Waals kuvvetleri adı verilen kuvvetler yoluyla birbirlerinin varlığını "hissederler". Ancak bu zayıf kuvvetler yalnızca atomlar birbirine çok yakın olduğunda hissedilir. Işık alanlarını kullanarak normal atomları gerekli hassasiyette manipüle etmek kesinlikle yapılamaz.

Lukin ve meslektaşlarının 2000 yılındaki orijinal önerisinde belirttiği gibi, atomların boyutlarını büyütürsek etkileşim mesafesi önemli ölçüde artabilir. Bir elektron ne kadar fazla enerjiye sahip olursa atom çekirdeğinden o kadar uzaklaşma eğilimi gösterir. Bir elektronu, 1880'lerde atomların ayrı dalga boylarında ışık yayma şeklini inceleyen İsveçli fizikçi Johannes Rydberg'in anısına Rydberg durumu olarak adlandırılan, genellikle atomlarda bulunan enerji durumundan çok daha yüksek bir enerji durumuna pompalamak için bir lazer kullanılırsa, elektron çekirdekten normalden binlerce kat daha uzağa gidebilir.

Boyuttaki bu artış, birkaç mikrometre uzakta tutulan iki atomun (optik tuzaklarda mükemmel bir şekilde mümkün) etkileşime girmesini sağlar.

Bir kuantum algoritmasını uygulamak için, araştırmacılar öncelikle kuantum bilgisini bir çift atomik enerji seviyesinde kodluyorlar ve lazerleri kullanarak seviyeler arasında elektronları değiştiriyorlar. Daha sonra aralarındaki Rydberg etkileşimlerini açarak atomların durumlarını dolaştırıyorlar. Belirli bir atom, elektronunun iki enerji seviyesinden hangisinde olduğuna bağlı olarak Rydberg durumuna uyarılabilir veya uyarılmayabilir; bunlardan yalnızca biri, uyarım lazerinin frekansıyla rezonansa girecek doğru enerjide bulunur. Ve eğer atom şu anda bir başka atomla etkileşim halindeyse, bu uyarılma frekansı biraz değişir, böylece elektron ışıkla rezonansa giremez ve sıçrama yapamayacaktır. Bu, etkileşim halindeki bir çift atomdan yalnızca birinin veya diğerinin herhangi bir anda Rydberg durumunu sürdürebileceği anlamına gelir; kuantum durumları birbiriyle ilişkilidir veya başka bir deyişle dolaşıktır. Bu sözde Rydberg ablukası, ilk olarak önerilen Lukin ve meslektaşları tarafından 2001 yılında Rydberg-atom kübitlerini dolaşıklaştırmanın bir yolu olarak yapılan deney, ya hep ya hiç etkisidir: Rydberg ablukası ya vardır ya da yoktur. Lukin, "Rydberg ablukası atomlar arasındaki etkileşimleri dijital hale getiriyor" dedi.

Hesaplamanın sonunda lazerler atomların durumlarını okuyor: Bir atom, aydınlatmayla rezonans durumundaysa ışık saçılır, diğer durumdaysa saçılma olmaz.

2004 yılında Connecticut Üniversitesi'nden bir ekip gösterdi Mutlak sıfırın yalnızca 100 mikrokelvin üzerine kadar soğutulmuş ve hapsedilmiş rubidyum atomları arasında bir Rydberg blokajı. Atomların termal enerjisini “emmek” için lazerler kullanarak atomları soğuttular. Bu yaklaşım, süper iletken kubitlerin aksine, nötr atomların kriyojenik soğutmaya ve hantal soğutucu akışkanlara ihtiyaç duymadığı anlamına geliyor. Bu nedenle bu sistemler çok kompakt hale getirilebilir. Saffman, "Cihazın tamamı oda sıcaklığındadır" dedi. "Bu süper soğuk atomlardan bir santimetre uzakta, oda sıcaklığında bir pencereniz var."

2010 yılında Saffman ve çalışma arkadaşları rapor Rydberg blokajı kullanılarak iki atomdan yapılan, bir veya daha fazla ikili giriş sinyalinin belirli bir ikili çıktı ürettiği, bilgisayarların temel bir öğesi olan ilk mantık kapısı. Daha sonra, en önemlisi, 2016'da Lukin'in Fransa ve Güney Kore'deki ekibi ve araştırma grupları, bağımsız çözmek nasıl birçok nötr atom yükle optik tuzak dizilerine bölün ve onları istediğiniz gibi hareket ettirin. “Bu yenilik sahaya yeni bir hayat getirdi” dedi Stephan Dürr Işık tabanlı kuantum bilgi işleme deneyleri için Rydberg atomlarını kullanan, Garching, Almanya'daki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü'nden Dr.

Şu ana kadar yapılan çalışmaların çoğunda rubidyum ve sezyum atomları kullanılıyor ancak fizikçi Jeff Thompson Princeton Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bilgiyi stronsiyum ve iterbiyum gibi daha uzun tutarlılık sürelerine sahip metal atomlarının nükleer dönüş durumlarında kodlamayı tercih ediyor. Geçtiğimiz Ekim ayında Thompson ve meslektaşları rapor bu sistemlerden yapılan iki kübitlik mantık kapıları.

Ve Rydberg ablukalarının yalnız atomlar arasında olması gerekmiyor. Geçen yaz Adams ve iş arkadaşları gösterdi bir atom ile hapsedilmiş bir molekül arasında bir Rydberg blokajı yaratabileceklerini, bunu optik cımbız kullanarak rubidyum atomunun yanındaki sezyum atomunu çekerek yapay olarak yapabildiklerini. Hibrit atom-molekül sistemlerinin avantajı, atomların ve moleküllerin çok farklı enerjilere sahip olmasıdır; bu, diğerlerini etkilemeden birinin manipüle edilmesini kolaylaştırabilir. Dahası, moleküler kübitlerin tutarlılık süreleri çok uzun olabiliyor. Adams, bu tür hibrit sistemlerin tüm atomlu sistemlerin en az 10 yıl gerisinde olduğunu ve bu tür iki kübitin dolaştırılmasının henüz sağlanmadığını vurguluyor. Thompson, "Hibrit sistemler gerçekten zor, ancak muhtemelen bir noktada bunları yapmak zorunda kalacağız" dedi.

Yüksek Kaliteli Qubit'ler

Hiçbir kübit mükemmel değildir: Hepsi hataya neden olabilir. Ve eğer bunlar tespit edilmez ve düzeltilmezse, hesaplamanın sonucunu karıştırırlar.

Ancak kuantum hesaplamanın önündeki en büyük engel, bir algoritmanın kopyalar oluşturarak bitlerin hangi durumda olduğunu takip ettiği klasik bilgisayarlardaki gibi hataların tanımlanamaması ve düzeltilememesidir. Kuantum hesaplamanın anahtarı, kübitlerin durumlarının nihai sonuç okununcaya kadar belirlenmeden bırakılmasıdır. Bu noktadan önce bu durumları ölçmeye çalışırsanız hesaplamayı sonlandırmış olursunuz. Peki kübitler bizim izleyemediğimiz hatalardan nasıl korunabilir?

Cevaplardan biri, bilgiyi tek bir "mantıksal kübit" oluşturan birçok fiziksel kübite yaymaktır, böylece bunlardan birindeki bir hata, topluca kodladıkları bilgiyi bozmaz. Bu ancak her mantıksal kübit için gereken fiziksel kübit sayısı çok fazla olmadığında pratik hale gelir. Bu ek yük kısmen hangi hata düzeltme algoritmasının kullanıldığına bağlıdır.

Süper iletken ve tuzaklanmış iyon kübitleriyle hatası düzeltilmiş mantıksal kübitler gösterildi, ancak yakın zamana kadar bunların nötr atomlardan yapılıp yapılamayacağı net değildi. Aralık ayında, Harvard ekibi yüzlerce tuzaklanmış rubidyum atomundan oluşan dizileri ortaya çıkardığında ve her biri yedi veya sekiz fiziksel atomdan oluşan 48 mantıksal kübit üzerinde algoritmalar çalıştırdığında bu durum değişti. Araştırmacılar sistemi, kontrollü NOT geçidi adı verilen basit bir mantıksal işlemi gerçekleştirmek için kullandılar; burada bir kübitin 1 ve 0 durumları, ikinci bir "kontrol" kübitinin durumuna bağlı olarak ters çevrilir veya değişmeden bırakılır. Hesaplamaları gerçekleştirmek için araştırmacılar, atomları tuzak odasındaki üç farklı bölge arasında hareket ettirdiler: bir dizi atom, belirli atomların Rydberg blokajı kullanılarak sürüklendiği ve dolaştırıldığı bir etkileşim bölgesi (veya "geçit bölgesi") ve bir okuma bölgesi. . Adams, bunların hepsinin mümkün olduğunu söyledi: "Rydberg sistemi size kübitleri karıştırma ve kimin kimle etkileşime gireceğine karar verme yeteneğini sunuyor; bu da size süper iletken kübitlerin sahip olmadığı bir esneklik sağlıyor."

Harvard ekibi bazı basit mantıksal kübit algoritmaları için hata düzeltme teknikleri gösterdi; ancak 48 mantıksal kübit içeren en büyükleri için yalnızca hata tespitini başardılar. Thompson'a göre bu son deneyler, "hatalı ölçüm sonuçlarını tercihli olarak reddedebildiklerini ve dolayısıyla daha düşük hatalı sonuçların bir alt kümesini tanımlayabildiklerini" gösterdi. Bu yaklaşıma seçim sonrası adı veriliyor ve kuantum hata düzeltmesinde rol oynayabilse de tek başına sorunu çözmüyor.

Rydberg atomları yeni hata düzeltme kodlarına katkıda bulunabilir. Saffman, Harvard çalışmasında kullanılan ve yüzey kodu olarak adlandırılan yöntemin "çok popüler ama aynı zamanda çok verimsiz" olduğunu söyledi; tek bir mantıksal kübit oluşturmak için birçok fiziksel kübit gerektirme eğilimindedir. Diğer, daha verimli önerilen hata düzeltme kodları, yalnızca en yakın komşu eşleşmelerini değil, kübitler arasında daha uzun menzilli etkileşimleri gerektirir. Nötr atomlu kuantum hesaplamanın uygulayıcıları, uzun menzilli Rydberg etkileşimlerinin bu göreve uygun olması gerektiğini düşünüyor. Lukin, "Önümüzdeki iki ila üç yıl boyunca yapılacak deneylerin, genel giderlerin insanların düşündüğü kadar kötü olmadığını göstereceği konusunda son derece iyimserim" dedi.

Hala yapılacak daha çok şey olmasına rağmen Steane, Harvard çalışmasını "laboratuvarda hata düzeltme protokollerinin gerçekleştirilme derecesinde bir adım değişiklik" olarak değerlendiriyor.

Dönüyor

Bunun gibi ilerlemeler, Rydberg-atom kübitlerinin rakipleriyle bile çekişmesine neden oluyor. Steane, "Yüksek doğruluklu geçitler, çok sayıda kübit, yüksek doğruluklu ölçümler ve esnek bağlantının birleşimi, Rydberg atom dizisini süper iletken ve tuzaklanmış iyon kübitlerine karşı gerçek bir rakip olarak görmemizi sağlıyor" dedi.

Süper iletken kubitlerle karşılaştırıldığında bu teknolojinin yatırım maliyeti çok daha düşük. Harvard grubunun, adında bir yan şirketi var. QuEraZaten 256 kübitlik bir Rydberg kuantum işlemcisi yapmış olan Aquila - simülasyonlarını çalıştırabilen analog bir "kuantum simülatörü" çok sayıda kuantum parçacığından oluşan sistemler — Amazon'un Braket kuantum bilgi işlem platformuyla ortaklaşa bulutta mevcuttur. QuEra ayrıca kuantum hata düzeltmesini geliştirmek için de çalışıyor.

Saffman adlı bir şirkete katıldı. çekimKuantum sensörleri ve iletişiminin yanı sıra kuantum hesaplama için nötr atom optik platformunu geliştiren. Adams, "Büyük BT şirketlerinden birinin yakın zamanda bu şirketlerden biriyle bir tür ortaklığa girmesi beni şaşırtmaz" dedi.

Thompson, "Nötr atom kübitleriyle ölçeklenebilir hata düzeltmesi yapmak kesinlikle mümkün" dedi. “Birkaç yıl içinde 10,000 nötr atom kübitinin açıkça mümkün olduğunu düşünüyorum.” Bunun ötesinde, lazer gücü ve çözünürlüğü üzerindeki pratik sınırlamaların zorunlu kılacağını düşünüyor. modüler tasarımlar birkaç farklı atom dizisinin birbirine bağlandığı.

Eğer bu olursa, bundan ne çıkacağını kim bilebilir? Lukin, "Kuantum hesaplamayla neler yapabileceğimizi henüz bilmiyoruz" dedi. "Bu yeni gelişmelerin bu soruları yanıtlamamıza gerçekten yardımcı olacağını umuyorum."