W przyszłości komputery kwantowe mogą szybko symulować nowe materiały lub pomóc naukowcom opracować szybsze modele uczenia maszynowego, otwierając drzwi do wielu nowych możliwości.
Ale te zastosowania będą możliwe tylko wtedy, gdy komputery kwantowe mogą bardzo szybko wykonywać operacje, aby naukowcy mogą dokonywać pomiarów i wykonywać korektę przed złożeniem wskaźników błędów zmniejszonych ich dokładności i niezawodności.
Wydajność tego procesu pomiaru, znanego jako odczyt, opiera się na sile sprzężenia między fotonami, które są cząstkami światła, które przenoszą informacje kwantowe, oraz sztuczne atomy, jednostki materii, które są często używane do przechowywania informacji na komputerze kwantowym.
Teraz naukowcy MIT wykazali, co według nich jest najsilniejsze nieliniowe sprzężenie światła, jakie kiedykolwiek osiągnęło w układzie kwantowym. Ich eksperyment jest krokiem w kierunku realizacji operacji kwantowych i odczytu, które można wykonać w kilku nanosekundach.
Naukowcy wykorzystali nową architekturę obwodów nadprzewodzących, aby pokazać nieliniowe sprzężenie światła, które jest około rzędu wielkości silniejszych niż wcześniejsze demonstracje, co może umożliwić procesor kwantowy działanie około 10 razy szybciej.
Wciąż jest wiele do zrobienia, zanim architektura będzie mogła zostać wykorzystana na prawdziwym komputerze kwantowym, ale wykazanie podstawowej fizyki za tym procesem jest ważnym krokiem we właściwym kierunku, mówi Yufeng „jasny” dr. 24, główny autor artykułu na temat tych badań.
„To naprawdę wyeliminowałoby jedno z wąskich gardeł w obliczeniach kwantowych. Zwykle musisz zmierzyć wyniki obliczeń między rundami korekcji błędów. Może to przyspieszyć, jak szybko możemy osiągnąć stadium obliczeń kwantowych i być w stanie uzyskać zastosowania w świecie rzeczywistym i wartość naszych komputerów kwantowych”, mówi.
Dołącza do niego artykuł starszy autor Kevin O'Brien, profesor nadzwyczajny i główny badacz w laboratorium badawczym elektroniki w MIT, który prowadzi Grupę Spójnej Elektroniki kwantowej na Departamencie Inżynierii Elektrycznej i Informatyki (EECS), a także inni w MIT, MIT Lincoln Laboratory i Harvard University. Badania pojawiają się w komunikacji natury.
Nowy łącznik
Ta fizyczna demonstracja opiera się na latach badań teoretycznych w grupie O'Brien.
Po tym, jak dołączył do laboratorium jako doktorant w 2019 roku, zaczął opracowywać wyspecjalizowanego detektora fotonów w celu zwiększenia przetwarzania informacji kwantowych.
Dzięki tej pracy wymyślił nowy rodzaj łącznika kwantowego, który jest urządzeniem, które ułatwia interakcje między kubitami. Kubity to elementy składowe komputera kwantowego. Ten tak zwany kwapler Quarton miał tak wiele potencjalnych zastosowań w operacjach kwantowych i odczycie, że szybko stał się przedmiotem laboratorium.
Ten łącznik kwartu jest specjalnym rodzajem obwodu nadprzewodzącego, który może generować wyjątkowo silne sprzężenie nieliniowe, które jest niezbędne do uruchamiania większości algorytmów kwantowych. Gdy naukowcy przekazują więcej prądu do łącznika, tworzy to jeszcze silniejszą nieliniową interakcję. W tym sensie nieliniowość oznacza, że system zachowuje się w sposób większy niż suma jego części, wykazując bardziej złożone właściwości.
„Większość przydatnych interakcji w obliczeniach kwantowych pochodzi z nieliniowego sprzężenia światła i materii. Jeśli możesz uzyskać bardziej wszechstronny zakres różnych rodzajów sprzęgania i zwiększyć wytrzymałość sprzężenia, możesz zasadniczo zwiększyć prędkość przetwarzania komputera kwantowego”, wyjaśnia.
W przypadku odczytu kwantowego naukowcy świecą mikrofalami mikrofalowymi na qubit, a następnie, w zależności od tego, czy ta kwbit jest w stanie 0 lub 1, istnieje przesunięcie częstotliwości na powiązanym rezonatorie odczytu. Mierzy to przesunięcie, aby określić stan KIBT.
Nieliniowe sprzężenie światła między qubit i rezonator umożliwia ten proces pomiaru.
Naukowcy MIT zaprojektowali architekturę z łącznikiem kwartu podłączonym z dwoma nadprzewodnikami na chipie. Zmieniają jedną qubit w rezonator i wykorzystują drugą qubit jako sztuczny atom, który przechowuje informacje kwantowe. Informacje te są przenoszone w postaci cząstek światła mikrofalowego zwanych fotonami.
„Interakcja między tymi nadprzewodzącymi sztucznymi atomami a światłem mikrofalowym, które prowadzi sygnał, jest zasadniczo sposób, w jaki buduje się cały nadprzewodzący komputer kwantowy” – wyjaśnia Ye.
Włączanie szybszego odczytu
Łącznik kwartuowy tworzy nieliniowe sprzężenie światła między kwetą a rezonatorem, co jest o rząd wielkości silniejszych niż wcześniej osiągnęli badacze. Może to umożliwić system kwantowy z odczytem błyskawicznym.
„Ta praca nie jest końcem historii. To jest podstawowa demonstracja fizyki, ale w grupie trwa praca, aby zrealizować naprawdę szybkie odczyt” – mówi O'Brien.
Obejmowałoby to dodanie dodatkowych komponentów elektronicznych, takich jak filtry, w celu wytworzenia obwodu odczytu, który można włączyć do większego układu kwantowego.
Naukowcy wykazali również wyjątkowo silne sprzężenie materii, inny rodzaj interakcji Qubit, który jest ważny dla operacji kwantowych. To kolejny obszar, który planują zbadać z przyszłymi pracami.
Szybkie operacje i odczyt są szczególnie ważne dla komputerów kwantowych, ponieważ kubity mają skończony okres życia, koncepcję zwaną czasem spójności.
Silniejsze nieliniowe sprzężenie umożliwia procesor kwantowy działanie szybciej i z niższym błędem, dzięki czemu kubity mogą wykonywać więcej operacji w tym samym czasie. Oznacza to, że kubity mogą uruchamiać więcej rund korekcji błędów podczas ich życia.
„Im więcej przebiegów korekcji błędów, co możesz wejść, tym niższy będzie błąd w wynikach” – mówi.
Na dłuższą metę praca ta może pomóc naukowcom zbudować odporne na uszkodzenia komputer kwantowy, który jest niezbędny do praktycznego obliczeń kwantowych na dużą skalę.
Badania te zostały częściowo wspierane przez Army Research Office, AWS Center for Quantum Computing i MIT Center for Quantum Engineering.