Forskeren undersøger balancen mellem sammenhæng og kontrol med en enkel, men komplet platform til kvantebehandling

Hvis du bygger en kvantecomputer med det formål at foretage beregninger, der ikke engang kan forestilles med nutidens konventionelle teknologi, du har en hård indsats. Case in point:Du dykker ned i nye problemer og situationer, der er forbundet med grundlæggende arbejde med nye og komplicerede systemer samt banebrydende teknologi.

Sådan er livet for forskerne fra Martinis Group ved UC Santa Barbara og Google, Inc., som de udforsker den spændende, men også stadig noget kontra-intuitive verden inden for quantum computing. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , de og kolleger ved Tulane University i New Orleans demonstrerer en relativt enkel, men komplet platform til kvantebehandling, integrering af styringen af ​​tre superledende qubits.

"Vi undersøger kanten af ​​vores evne, "sagde avisens hovedforfatter, Pedram Roushan. Der har været en del bestræbelser på at bygge og studere individuelle dele af en kvanteprocessor, forklarede han, men dette særlige projekt indebærer at sætte dem alle sammen i en grundlæggende byggesten, der kan styres fuldstændigt og potentielt skaleres til en funktionel kvantecomputer.

Imidlertid, før en fuldt ud praktisk kvantecomputer - med alt dets potentiale for enorme, hurtige og samtidige beregninger - kan foretages, opstår forskellige og til tider uforudsigelige og spontane omstændigheder, der skal forstås, når forskerne forfølger større kontrol og raffinement af deres system.

"Du har at gøre med partikler - qubits i dette tilfælde - der interagerer med hinanden, og de interagerer med eksterne felter, "Roushan sagde." Alt dette fører til meget kompliceret fysik. "

For at hjælpe med at løse dette særlige mangekroppsproblem, forklarede han, deres fuldt kontrollerbare kvantebehandlingssystem skulle bygges fra en enkelt qubit op, for at give forskerne muligheder for mere klart at forstå staterne, adfærd og interaktioner, der kan forekomme.

Ved at konstruere pulssekvenserne, der bruges til at manipulere fotonernes spins i deres system, forskerne skabte et kunstigt magnetfelt, der påvirker deres lukkede sløjfe på tre qubits, får fotonerne til at interagere stærkt med ikke kun hinanden, men også med det pseudomagnetiske felt. Ikke en lille bedrift.

"Naturligvis er de fleste systemer, hvor der er god kontrol, fotoniske systemer, "sagde medforfatter Charles Neill. I modsætning til elektroner, ladeløse fotoner har generelt en tendens til ikke at interagere med hinanden eller med eksterne magnetfelter, forklarede han. "I denne artikel viser vi, at vi kan få dem til at interagere meget stærkt med hinanden, og interagerer med et magnetfelt meget stærkt, hvilke er de to ting, du skal gøre for at få dem til at lave interessant fysik med fotoner, "Sagde Neill.

En anden fordel ved dette syntetiske kondenserede system er evnen til at drive det ind i dets lavest liggende energitilstand-kaldet grundtilstand-til at undersøge dets egenskaber.

Men med mere kontrol følger potentialet for mere dekoherens. Da forskerne stræbte efter større programmerbarhed og evne til at påvirke og læse qubits, jo mere åbent deres system sandsynligvis ville være for fejl og tab af information.

"Jo mere kontrol vi har over et kvantesystem, de mere komplekse algoritmer vi ville kunne køre, "sagde medforfatter Anthony Megrant." Dog, hver gang vi tilføjer en kontrollinje, vi introducerer også en ny kilde til dekoherens. "På niveau med en enkelt qubit, en lille fejlmargin kan tolereres, forklarede forskerne, men selv med en relativt lille stigning i antallet af qubits, potentialet for fejl multiplicerer eksponentielt.

"Der er disse korrektioner, der i sagens natur er kvantemekaniske, og så begynder de at have betydning på det præcisionsniveau, vi kommer til, "Sagde Neill.

For at bekæmpe potentialet for fejl og samtidig øge deres kontrolniveau, holdet måtte genoverveje både arkitekturen i deres kredsløb og det materiale, der blev brugt i det. I stedet for deres traditionelt single-level, plan layout, forskerne redesignede kredsløbet for at tillade kontrolledninger at "krydse" andre via en selvbærende metallisk "bro". Det dielektriske materiale - isoleringsmaterialet mellem de ledende styretråde - viste sig at være en stor kilde til fejl.

"Alle deponerede dielektrikke, som vi kender til, er meget tabende, "Sagde Megrant, og derfor blev et mere præcist fremstillet og mindre defekt substrat indført for at minimere sandsynligheden for dekoherens.

Fremskridt er trinvis, men solid, ifølge forskerne, der fortsætter med at udforske det sande potentiale i deres kvantesystem. Tilføj til den sarte dansehastighed, hvilket er afgørende for den form for ydelse, de ønsker at se i en fuldt operationel kvantecomputer. Langsom hastighed reducerer kontrolfejl, men gør systemet mere sårbart over for kohærensgrænser og defekter påført af materialerne. Hurtige hastigheder undgår påvirkning af defekter i materialet, men reducerer mængden af ​​kontrol, operatørerne har over systemet, de sagde.

Med denne platform, imidlertid, opskalering vil være en realitet i den ikke alt for fjerne fremtid, de sagde.

"Hvis vi kan styre disse systemer meget præcist - måske i niveauet 30 qubits eller deromkring - kan vi komme til det niveau at lave beregninger, som ingen konventionel computer kan gøre, "Sagde Roushan.