Ledning af en ny vej til skalerbar kvanteberegning

Sidste år, Google producerede en 53-qubit kvantecomputer, der kunne udføre en specifik beregning væsentligt hurtigere end verdens hurtigste supercomputer. Ligesom de fleste af nutidens største kvantecomputere, dette system kan prale af snesevis af qubits - kvantemodstykkerne til bits, som koder information i konventionelle computere.

For at lave større og mere brugbare systemer, de fleste af nutidens prototyper skal overvinde udfordringerne med stabilitet og skalerbarhed. Sidstnævnte vil kræve at øge tætheden af ​​signalering og ledninger, hvilket er svært at gøre uden at forringe systemets stabilitet. Jeg tror på et nyt kredsløbsledningsskema udviklet i løbet af de sidste tre år af RIKENs Superconducting Quantum Electronics Research Team, i samarbejde med andre institutter, åbner døren til at skalere op til 100 eller flere qubits inden for det næste årti. Her, Jeg diskuterer hvordan.

Udfordring en:Skalerbarhed

Kvantecomputere behandler information ved hjælp af delikate og komplekse interaktioner baseret på kvantemekanikkens principper. For at forklare dette yderligere må vi forstå qubits. En kvantecomputer er bygget af individuelle qubits, som er analoge med de binære bits, der bruges i konventionelle computere. Men i stedet for nul eller en binær tilstand af en bit, en qubit skal opretholde en meget skrøbelig kvantetilstand. I stedet for bare at være nul eller én, qubits kan også være i en tilstand, der kaldes en superposition - hvor de på en måde er i en tilstand af både nul og én på samme tid. Dette gør det muligt for kvantecomputere baseret på qubits at behandle data parallelt for hver mulig logisk tilstand, nul eller en, og de kan dermed fungere mere effektivt, og dermed hurtigere, beregninger end konventionelle computere baseret på bits for særlige typer problemer.

Imidlertid, det er meget sværere at skabe en qubit end en konventionel bit, og fuld kontrol over den kvantemekaniske opførsel af et kredsløb er nødvendig. Forskere har fundet på et par måder at gøre dette på med en vis pålidelighed. Hos RIKEN, et superledende kredsløb med et element kaldet en Josephson junction bruges til at skabe en nyttig kvantemekanisk effekt. På denne måde qubits kan nu produceres pålideligt og gentagne gange med nanofabrikationsteknikker, der almindeligvis anvendes i halvlederindustrien.

Udfordringen med skalerbarhed opstår fra det faktum, at hver qubit så har brug for ledninger og forbindelser, der producerer kontroller og udlæsninger med minimal krydstale. Da vi bevægede os forbi små to-til-to eller fire-til-fire rækker af qubits, vi har indset, hvor tæt de tilhørende ledninger kan pakkes, og vi har været nødt til at skabe bedre systemer og fremstillingsmetoder for at undgå at få vores ledninger krydset, bogstaveligt talt.

Hos RIKEN, vi har bygget et fire-til-fire-array af qubits ved hjælp af vores eget ledningsskema, hvor forbindelserne til hver qubit er lavet lodret fra bagsiden af ​​en chip, snarere end en separat 'flip-chip'-grænseflade, der bruges af andre grupper, der bringer ledningspuderne til kanterne af en kvantechip. Dette involverer noget sofistikeret fremstilling med en tæt række af superledende vias (elektriske forbindelser) gennem en siliciumchip, men det skulle give os mulighed for at skalere op til meget større enheder. Vores team arbejder hen imod en 64-qubit enhed, som vi håber at have inden for de næste tre år. Dette vil blive efterfulgt af en 100-qubit-enhed om yderligere fem år som en del af et nationalt finansieret forskningsprogram. Denne platform skal i sidste ende tillade op til en 1, 000 qubits, der skal integreres på en enkelt chip.

Udfordring to:Stabilitet

Den anden store udfordring for kvantecomputere er, hvordan man håndterer qubitternes iboende sårbarhed over for udsving eller støj fra udefrakommende kræfter såsom temperatur. For at en qubit skal fungere, det skal holdes i en tilstand af kvantesuperposition, eller "kvantekohærens". I de tidlige dage af superledende qubits, vi kunne få denne tilstand til at vare i kun nanosekunder. Nu, ved at afkøle kvantecomputere til kryogene temperaturer og skabe flere andre miljøkontroller, vi kan bevare sammenhæng i op til 100 mikrosekunder. Et par hundrede mikrosekunder ville give os mulighed for at udføre nogle få tusinde informationsbehandlingsoperationer, gennemsnitlig, før sammenhængen går tabt.

I teorien, en måde vi kan håndtere ustabilitet på er at bruge kvantefejlkorrektion, hvor vi udnytter flere fysiske qubits til at kode en enkelt "logisk qubit, " og anvende en fejlkorrektionsprotokol, der kan diagnosticere og rette fejl for at beskytte den logiske qubit. Men at indse, at dette stadig er langt væk af mange grunde, ikke mindst problemet med skalerbarhed.

Kvantekredsløb

Siden 1990'erne har før quantum computing blev en stor ting. Da jeg begyndte, Jeg var interesseret i, om mit team kunne skabe og måle kvantesuperpositionstilstande i elektriske kredsløb. På det tidspunkt, det var slet ikke indlysende, om elektriske kredsløb som helhed kunne opføre sig kvantemekanisk. At realisere en stabil qubit i et kredsløb og skabe tænd- og sluktilstande i kredsløbet, kredsløbet skulle også være i stand til at understøtte en superpositionstilstand.

Vi kom til sidst op med ideen om at bruge et superledende kredsløb. Den superledende tilstand er fri for al elektrisk modstand og tab, og så er det strømlinet til at reagere på små kvantemekaniske effekter. For at teste dette kredsløb, vi brugte en superledende ø i mikroskala lavet af aluminium, som var forbundet til en større superledende jordelektrode via et Josephson-kryds – et kryds adskilt af en nanometertyk isolerende barriere – og vi fangede superledende elektronpar, der tunnelerede hen over krydset. På grund af aluminiums-øens lillehed, det kunne højst rumme et overskydende par på grund af en effekt kendt som Coulomb blokade mellem negativt ladede par. Tilstandene nul eller et overskydende par på øen kan bruges som tilstand for en qubit. Den kvantemekaniske tunnelering bevarer qubittens sammenhæng og giver os mulighed for at skabe en superposition af tilstandene, som er fuldt styret med mikrobølgeimpulser.

Hybride systemer

På grund af deres meget sarte natur, kvantecomputere vil næppe være i hjemmene i den nærmeste fremtid. Imidlertid, anerkender de enorme fordele ved forskningsorienterede kvantecomputere, industrigiganter som Google og IBM, samt mange nystartede virksomheder og akademiske institutter rundt om i verden, investerer i stigende grad i forskning.

En kommerciel kvantecomputerplatform med fuld fejlkorrektion er sandsynligvis stadig mere end et årti væk, men den nyeste tekniske udvikling giver allerede mulighed for ny videnskab og applikationer. Kvantekredsløb i mindre skala udfører allerede nyttige opgaver i laboratoriet.

For eksempel, vi bruger vores superledende kvantekredsløbsplatform i kombination med andre kvantemekaniske systemer. Dette hybride kvantesystem giver os mulighed for at måle en enkelt kvantereaktion inden for kollektive excitationer - det være sig præcessioner af elektronspin i en magnet, krystalgitter vibrationer i et substrat, eller elektromagnetiske felter i et kredsløb - med hidtil uset følsomhed. Disse målinger skulle fremme vores forståelse af kvantefysik, og med det kvanteberegning. Vores system er også følsomt nok til at måle en enkelt foton ved mikrobølgefrekvenser, hvis energi er omkring fem størrelsesordener lavere end en foton med synligt lys, uden at absorbere eller ødelægge det. Håbet er, at dette vil fungere som en byggesten for kvantenetværk, der forbinder fjerne qubit-moduler, blandt andet.

Kvante internet

At forbinde en superledende kvantecomputer til et optisk kvantekommunikationsnetværk er en anden fremtidig udfordring for vores hybridsystem. Dette ville blive udviklet i forventning om en fremtid, der inkluderer et kvanteinternet forbundet med optiske ledninger, der minder om nutidens internet. Imidlertid, selv en enkelt foton af infrarødt lys ved en telekommunikationsbølgelængde kan ikke direkte ramme en superledende qubit uden at forstyrre kvanteinformationen, så omhyggeligt design er et must. Vi er i øjeblikket ved at undersøge hybride kvantesystemer, der transducerer kvantesignaler fra en superledende qubit til en infrarød foton, og omvendt, via andre kvantesystemer, såsom en, der involverer en lille akustisk oscillator.

Selvom mange komplekse problemer skal overvindes, videnskabsmænd kan se en fremtid forbedret af kvantecomputere i horisonten. Faktisk, kvantevidenskab er allerede i vores hænder hver dag. Transistorer og laserdioder ville aldrig være blevet opfundet uden en ordentlig forståelse af elektronernes egenskaber i halvledere, som er totalt baseret på forståelse af kvantemekanik. Så gennem smartphones og internettet, vi er allerede fuldstændig afhængige af kvantemekanik, og det bliver vi kun flere i fremtiden.