Κλιμάκωση ενός παγιδευμένου κβαντικού υπολογιστή ιόντων

By | January 7, 2024

    Σάρα Μουραντιάν

    • Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, University of Washington, Seattle, WA

&μπάλα; Η φυσικη 16, 209

Σημαντικές τεχνικές βελτιώσεις σε έναν κβαντικό υπολογιστή που βασίζεται σε παγιδευμένα ιόντα θα μπορούσαν να φέρουν μια έκδοση μεγάλης κλίμακας πιο κοντά στην πραγματικότητα.

Φιγούρα 1: Ο Moses και οι συνεργάτες του επιδεικνύουν έναν κβαντικό υπολογιστή στον οποίο (κόκκινα) ιόντα κινούνται γύρω από μια δομή παρόμοια με μια πίστα αγώνων [1]. Τα ιόντα αποθηκεύονται στις πράσινες περιοχές, ταξινομούνται στις πάνω μπλε περιοχές και εμπλέκονται (κίτρινα) στις κάτω μπλε περιοχές. Οι γκρίζοι βρόχοι είναι ηλεκτρόδια ραδιοσυχνοτήτων.

Οι επιστήμονες εξερευνούν διάφορες πλατφόρμες για μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές μεγάλης κλίμακας. Μεταξύ των κύριων ανταγωνιστών, αυτοί στους οποίους τα κβαντικά bit (qubits) είναι παγιδευμένα ιόντα ξεχωρίζουν για τη λειτουργία τους με χαμηλό ποσοστό σφάλματος. Ωστόσο, η κλιμάκωση αυτών των πλατφορμών στα εκατομμύρια qubits που απαιτούνται για τους κβαντικούς υπολογιστές βιομηχανικής κλίμακας είναι ένα τρομακτικό έργο. Τώρα, ο Steven Moses του Quantinuum στο Κολοράντο και οι συνεργάτες του περιγράφουν έναν εντυπωσιακό νέο κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένων ιόντων, το Quantinuum System Model H2, στον οποίο κατάφεραν να αυξήσουν τον αριθμό των qubits (από 20 σε 32) χωρίς να αυξήσουν τον ρυθμό qubit. λάθος. [1]. Οι ερευνητές δοκίμασαν αυτό το σύστημα με ολοκληρωμένες δοκιμές σε επίπεδο εξαρτημάτων, μια σουίτα δοκιμών βιομηχανικών προτύπων και ένα ποικίλο σύνολο εφαρμογών.

Σε έναν τυπικό κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένων ιόντων, μια γραμμική αλυσίδα ιόντων περιορίζεται από ένα ηλεκτρικό δυναμικό που χρησιμοποιεί πεδία συνεχούς ρεύματος (DC) και ραδιοσυχνοτήτων (RF). Ενώ η συσκευή παγίδας ιόντων μπορεί να βρίσκεται σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, τα ίδια τα ιόντα πρέπει να ψύχονται με λέιζερ μέχρι να πλησιάσουν τη βασική τους κατάσταση. Η κίνησή τους μπορεί στη συνέχεια να ποσοτικοποιηθεί και οι προκύπτοντες τρόποι κίνησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μπερδέψουν οποιοδήποτε ζεύγος ιόντων στην αλυσίδα, μια απαραίτητη προϋπόθεση για την εκτέλεση κβαντικών πράξεων. Ωστόσο, ο έλεγχος μεμονωμένων ιόντων σε μια μακρά αλυσίδα έχει τις δικές του τεχνικές δυσκολίες και είναι απίθανο να χρειαστούν ένα εκατομμύριο qubits για την κατασκευή ενός καθολικού, ανεκτικού σε σφάλματα κβαντικού υπολογιστή, [2]-θα μπορούσε να παγιδευτεί σε ένα μόνο δυναμικό.

Το 2002, μια ομάδα επιστημόνων πρότεινε τη λεγόμενη αρχιτεκτονική συσκευής συζευγμένης κβαντικής φόρτισης (QCCD), στην οποία σύντομες γραμμικές αλυσίδες ιόντων συνδέονται με μια φυσική σαΐτα μεταξύ των περιοχών αποθήκευσης και αλληλεπίδρασης. [3]. Ένας κβαντικός υπολογιστής που βασίζεται σε αυτή την αρχιτεκτονική περιλαμβάνει πολυάριθμες παγίδες ιόντων, καθεμία με ένα σύνολο τμηματικών ηλεκτροδίων. Μεταβάλλοντας τις τάσεις σε αυτά τα ηλεκτρόδια, μεμονωμένα ιόντα (ή ομάδες ιόντων) μπορούν να ρέουν μέσω του συστήματος για να αλληλεπιδράσουν με ιόντα σε άλλες περιοχές. Με αυτόν τον τρόπο, ο υπολογιστής μπορεί να χωριστεί σε πολλές μικρές γραμμικές αλυσίδες ιόντων και η δυναμική αναδιάταξη των ιόντων επιτρέπει αυθαίρετη συνδεσιμότητα.

Από τότε που προτάθηκε η αρχιτεκτονική QCCD, έχει γίνει ουσιαστική δουλειά για να πραγματοποιηθεί το όνειρο ενός μεγάλης κλίμακας κβαντικού υπολογιστή παγιδευμένων ιόντων QCCD. Οι επιστήμονες του Quantinuum έχουν ήδη αναφέρει αποτελέσματα για μονοδιάστατες γεωμετρίες [4]. Ωστόσο, η συγκέντρωση όλων των ηλεκτρικών, οπτικών και υπολογιστικών δομικών στοιχείων που είναι απαραίτητα για τον έλεγχο ιόντων δεν είναι ασήμαντη. Επιπλέον, για πραγματική επεκτασιμότητα, όλα αυτά πρέπει να γίνονται με τρόπο που να διασφαλίζει ότι το ποσοστό σφάλματος ανά qubit δεν αυξάνεται καθώς προστίθενται νέα qubit.

Ο Moses και οι συνεργάτες του αναφέρουν έναν κβαντικό υπολογιστή παγιδευμένου ιόντος QCCD στον οποίο τα ιόντα κινούνται γύρω από μια δομή παρόμοια με μια πίστα αγώνων (Εικ. 1). Αυτό το σύστημα ενσωματώνει και βελτιώνει πτυχές προηγούμενων επιδείξεων από την Quantinuum και άλλες ομάδες και συνδυάζει τρία βασικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, τα ηλεκτρόδια RF δρομολογούνται κάτω από την επάνω επιφάνεια της συσκευής, γεγονός που αυξάνει την προσαρμοστικότητα της γεωμετρίας του ηλεκτροδίου. Δεύτερον, ένα σύνολο τάσεων συνεχούς ρεύματος εφαρμόζεται σε πολλαπλά ηλεκτρόδια παράλληλα, μειώνοντας έτσι τον αριθμό των μεμονωμένων τάσεων ελέγχου που πρέπει να αποστέλλονται στον θάλαμο κενού που στεγάζει τη συσκευή, κάτι σημαντικό όταν αυξάνεται η πολυπλοκότητα της παγίδας. Τρίτον, τα ιόντα φορτίζονται στη συσκευή από ένα σύννεφο ψυχρών ουδέτερων ατόμων σε μια μαγνητο-οπτική παγίδα (αντί για θερμό ατμό όπως συμβαίνει συχνά), η οποία επιτρέπει περισσότερη φόρτιση. γρήγορα ιόντα και έτσι μειώνει τον χρόνο που απαιτείται για να αρχικοποιήσετε ένα πείραμα.

Αυτές οι βελτιώσεις υλικού ενισχύονται από την κλασική υπολογιστική υποδομή που επέτρεψε στον Moses και στους συναδέλφους του να εκτελούν πλήρως αυτοματοποιημένη βαθμονόμηση του συστήματός τους και να παρακολουθούν χαρακτηρισμένες φάσεις qubit. Οι ερευνητές εφάρμοσαν επίσης μέτρα «ενδιάμεσου υπολογισμού» και ανατροφοδότηση σε πραγματικό χρόνο, ένα κρίσιμο στοιχείο για μελλοντικές επιδείξεις ανοχής σφαλμάτων. Αν και αυτά τα χαρακτηριστικά έχουν ήδη επιδειχθεί ξεχωριστά από αυτήν την ομάδα και άλλες, ο συνδυασμός τους αποτελεί μια τρομερή συσκευή ικανή να αποδίδει σε επίπεδο αιχμής.

Η μηχανική εργασία που κατέστησε δυνατή αυτή τη συσκευή είναι αναμφίβολα α κατόρθωμα δύναμης. Ωστόσο, είναι ο εις βάθος χαρακτηρισμός του Μωυσή και των συναδέλφων που ξεχωρίζει τη μελέτη τους. Ξεκίνησαν χαρακτηρίζοντας κάθε πιθανό συστατικό ενός κβαντικού αλγορίθμου: πράξεις ενός qubit, πράξεις δύο qubit, προετοιμασία και μέτρηση κατάστασης και μεταφορά ιόντων. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, οι ερευνητές μπόρεσαν να καταλογίσουν πλήρως όλες τις πηγές σφαλμάτων, διαπιστώνοντας ότι η αξιοπιστία του συστήματός τους περιορίζεται από σφάλματα που σχετίζονται με λειτουργίες δύο qubit και προετοιμασία και μέτρηση κατάστασης.

Οι ερευνητές δεν σταμάτησαν εκεί: πραγματοποίησαν επίσης δοκιμές αναφοράς σε επίπεδο συστήματος. Παρόλο που ο χαρακτηρισμός μιας μεμονωμένης λειτουργίας δίνει μια καλή πρώτη ιδέα για την απόδοση ενός μηχανήματος, ολόκληρη η λειτουργία του συστήματος μπορεί να είναι χειρότερη, για παράδειγμα, λόγω παρεμβολής. Εντυπωσιακά, τα ποσοστά σφάλματος που συνήγαγε η ομάδα από τη δοκιμή σε επίπεδο συστατικού ταιριάζουν καλά (αν όχι τέλεια) με αυτά από τη δοκιμή συγκριτικής αξιολόγησης σε επίπεδο συστήματος. Ένα από αυτά τα σημεία αναφοράς ήταν ο κβαντικός όγκος, ένα βιομηχανικό πρότυπο που χαρακτηρίζει την υπολογιστική ισχύ ενός κβαντικού συστήματος. Οι ερευνητές έχουν φτάσει σε κβαντικό όγκο 216. Αυτή η τιμή ήταν ρεκόρ για οποιοδήποτε μηχάνημα όταν αναφέρθηκε για πρώτη φορά το αποτέλεσμα, αλλά πρόσφατα καταρρίφθηκε από επιστήμονες της Quantinuum σε άλλη συσκευή. [5]. Τέλος, ο Moses και οι συνεργάτες του δοκίμασαν το σύστημά τους εφαρμόζοντας ένα σύνολο αλγορίθμων, καθένας από τους οποίους έλεγχε μια ξεχωριστή ικανότητα της συσκευής.

Αν και το έργο του Μωυσή και των συναδέλφων του προάγει τον κβαντικό υπολογισμό παγιδευμένων ιόντων και θέτει ένα τεράστιο προηγούμενο για μελλοντικές προσπάθειες, υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει μέχρι να διατεθούν εκδόσεις μεγάλης κλίμακας αυτών των συσκευών. Πρώτον, όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, η οικοδόμηση μιας πραγματικά δισδιάστατης αρχιτεκτονικής συνοδεύεται από νέες προκλήσεις, όπως η επίτευξη μεταφοράς ιόντων χαμηλού σφάλματος μεταξύ των διασταυρώσεων και η αύξηση των απαραίτητων ηλεκτρικών σημάτων ελέγχου. [6].

Δεύτερον, ο Moses και οι συνεργάτες του ισχυρίζονται ότι μόνο το 1-2% του υπολογιστικού χρόνου ξοδεύτηκε σε κβαντικές λειτουργίες. το υπόλοιπο ξοδεύτηκε για τη μεταφορά των ιόντων και την ψύξη τους. Αυτό το ποσοστό θα ήταν ανεπαρκές για έναν μελλοντικό κβαντικό υπολογιστή και θα πρέπει να γίνουν σημαντικές προσπάθειες για τη βελτίωσή του. Μια πιθανή λύση είναι η αύξηση του αριθμού των ιόντων σε κάθε αλυσίδα. Αν και αυτό θα αύξανε το τεχνικό κόστος, θα μείωνε τον αριθμό των απαιτούμενων λειτουργιών μεταφοράς. Θα είναι ενδιαφέρον να δούμε πώς θα εκδηλωθεί αυτή η πράξη εξισορρόπησης στη μελλοντική δουλειά αυτής και άλλων ομάδων.

Οι παραπομπές

  1. Α.Ε. Μωυσής et al.«Ένας παγιδευμένος κβαντικός επεξεργαστής ιόντων σε μια πίστα αγώνων» Phys. Στροφή μηχανής. Χ 13041052 (2023).
  2. ΕΓΩ Beverland et al.«Αξιολόγηση απαιτήσεων για τη μετάβαση προς το πρακτικό κβαντικό πλεονέκτημα», arXiv:2211.07629.
  3. D. Kielpinski et al.«Αρχιτεκτονική ενός κβαντικού υπολογιστή παγίδας ιόντων μεγάλης κλίμακας», Φύση 417 (2002).
  4. J.M. Pino et al.“Επίδειξη παγιδευμένων ιόντων κβαντικής αρχιτεκτονικής υπολογιστή CCD”, Φύση 592 (2021).
  5. Quantinuum, ο κβαντικός υπολογιστής της σειράς H Quantinuum επιταχύνει χάρη σε 3 επιπλέον εγγραφές απόδοσης για τον κβαντικό όγκο: 217, 218Και 21930 Ιουνίου 2023.
  6. κύριε Μαλινόφσκι et al.“Πώς να συνδέσετε έναν κβαντικό υπολογιστή με παγιδευμένο ιόν 1000 qubit”, Quantum PRX 4040313 (2023).

Σχετικά με τον Συγγραφέα

Εικόνα της Sara Mouradian

Η Sara Mouradian είναι επίκουρη καθηγήτρια Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ. Έλαβε το πτυχίο, το μεταπτυχιακό της στη μηχανική και το διδακτορικό της από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, όπου εργάστηκε σε κβαντικές τεχνολογίες σε οπτικά και ημιαγωγικά συστήματα. Στη συνέχεια υπηρέτησε ως μεταδιδακτορική υπότροφος στην Κοινότητα Νοημοσύνης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, βοηθώντας στην επίδειξη του ελέγχου των τρόπων περιστροφής ιόντων και αναπτύσσοντας μια νέα τεχνική ανίχνευσης ικανή να δείξει πραγματικό κβαντικό πλεονέκτημα. Στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, το εργαστήριό του επικεντρώνεται στην επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών παγιδευμένων ιόντων, συμπεριλαμβανομένου του οπτικού ελέγχου με ενσωματωμένη φωτονική, τη βελτιστοποίηση λειτουργιών multiqubit και την κατασκευή σχεδίων παγίδων επόμενης γενιάς.


Περιοχές

Σχετικά Άρθρα

Υπολογίστε πώς διασκορπίζονται τα άτομα στις επιφάνειες
Ο ηλεκτρονικός κρύσταλλος αποκαλύπτει τη δυναμική του
Κβαντική φυσική

Ο ηλεκτρονικός κρύσταλλος αποκαλύπτει τη δυναμική του

Οι ερευνητές μέτρησαν με ακρίβεια τις ιδιότητες ηλεκτρικής μεταφοράς ενός στερεού Wigner υψηλής τάξης, μιας κρυσταλλικής κατάστασης που σχηματίζεται από ηλεκτρόνια και όχι από άτομα. Μάθε περισσότερα “

Ίσως τελικά να μην υπήρχε κβαντική βαρύτητα;

Περισσότερα άρθρα

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *