Partikelacceleratorteknologi kan løse et af de mest irriterende problemer ved at bygge kvantecomputere

Sidste år, forskere ved Fermilab modtog over 3,5 millioner dollars for projekter, der dykker ned i det spirende felt inden for kvanteinformationsvidenskab. Forskning finansieret af bevillingen styrer spektret, fra at bygge og modellere enheder til mulig brug i udviklingen af ​​kvantecomputere til at bruge ultrakolde atomer til at lede efter mørkt stof.

Til deres kvantecomputerprojekt, Fermilab partikelfysiker Adam Lyon og computerforsker Jim Kowalkowski samarbejder med forskere ved Argonne National Laboratory, hvor de vil køre simuleringer på højtydende computere. Deres arbejde vil hjælpe med at afgøre, om instrumenter kaldet superledende radiofrekvente hulrum, bruges også i partikelacceleratorer, kan løse et af de største problemer, som en succesfuld udvikling af en kvantecomputer står over for:dekohærensen af ​​qubits.

"Fermilab har været banebrydende i fremstillingen af ​​superledende hulrum, der kan accelerere partikler i ekstrem høj grad på kort plads, " sagde Lyon, en af ​​de ledende videnskabsmænd på projektet. "Det viser sig, at dette er direkte anvendeligt til en qubit."

Forskere på området har arbejdet på at udvikle succesrige kvantecomputere i de sidste årtier; indtil nu, det har været svært. Dette skyldes primært, at kvantecomputere skal opretholde meget stabile forhold for at holde qubits i en kvantetilstand kaldet superposition.

Superposition

Klassiske computere bruger et binært system af nuller og etaller - kaldet bits - til at gemme og analysere data. Otte bit kombineret udgør én byte data, som kan sættes sammen for at kode endnu mere information. (Der er omkring 31,8 millioner bytes i den gennemsnitlige tre-minutters digitale sang). kvantecomputere er ikke begrænset af et strengt binært system. Hellere, de opererer på et system af qubits, som hver kan antage en kontinuerlig række af tilstande under beregningen. Ligesom en elektron, der kredser om en atomkerne, ikke har en diskret placering, men snarere indtager alle positioner i sin bane på én gang i en elektronsky, en qubit kan opretholdes i en superposition af både nul og én.

Da der er to mulige tilstande for en given qubit, et par fordobler mængden af ​​information, der kan manipuleres:2 ² =4. Brug fire qubits, og den mængde information vokser til 2 ⁴ =16. Med denne eksponentielle stigning, det ville kun tage 300 sammenfiltrede qubits at kode mere information, end der er stof i universet.

Parallelle positioner

Qubits repræsenterer ikke data på samme måde som bits. Fordi qubits i superposition er både nul og én på samme tid, de kan på samme måde repræsentere alle mulige svar på et givet problem samtidigt. Dette kaldes kvanteparallelisme, og det er en af ​​de egenskaber, der gør kvantecomputere så meget hurtigere end klassiske systemer.

Forskellen mellem klassiske computere og deres kvantemodstykker kan sammenlignes med en situation, hvor der er en bog med nogle sider tilfældigt trykt med blåt blæk i stedet for sort. De to computere får til opgave at bestemme, hvor mange sider der blev printet i hver farve.

"En klassisk computer ville gå igennem hver side, " sagde Lyon. Hver side ville blive markeret, en ad gangen, som enten trykt i sort eller blåt. "En kvantecomputer, i stedet for at gennemgå siderne sekventielt, ville gennemgå dem alle på én gang."

Når beregningen var færdig, en klassisk computer ville give dig en klar, diskret svar. Hvis bogen havde tre sider trykt i blåt, det er det svar, du ville få.

"Men en kvantecomputer er i sagens natur probabilistisk, " sagde Kowalkowski.

Det betyder, at de data, du får tilbage, ikke er endelige. I en bog på 100 sider, dataene fra en kvantecomputer ville ikke kun være tre. Det kan også give dig, for eksempel, en procents chance for at have tre blå sider eller en procents chance for 50 blå sider.

Et åbenlyst problem opstår, når man forsøger at fortolke disse data. En kvantecomputer kan udføre utrolig hurtige beregninger ved hjælp af parallelle qubits, men det spytter kun sandsynligheder ud, hvilken, selvfølgelig, er ikke særlig nyttig - medmindre det er, det rigtige svar kunne på en eller anden måde gives en højere sandsynlighed.

Interferens

Overvej to vandbølger, der nærmer sig hinanden. Da de mødes, de kan konstruktivt gribe ind, producerer en bølge med en højere top. Eller de kan forstyrre destruktivt, annullerer hinanden, så der ikke længere er nogen bølge at tale om. Qubit-tilstande kan også fungere som bølger, udviser de samme interferensmønstre, en ejendomsforskere kan udnytte til at identificere det mest sandsynlige svar på det problem, de får.

"Hvis du kan opsætte interferens mellem de rigtige svar og de forkerte svar, du kan øge sandsynligheden for, at de rigtige svar dukker mere op end de forkerte svar, " sagde Lyon. "Du forsøger at finde en kvantemetode til at få de rigtige svar til at forstyrre konstruktivt, og de forkerte svar forstyrre destruktivt."

Når en beregning køres på en kvantecomputer, den samme beregning køres flere gange, og qubits får lov til at interferere med hinanden. Resultatet er en fordelingskurve, hvor det rigtige svar er det hyppigste svar.

Lytter efter signaler over støjen

I de sidste fem år har forskere ved universiteter, offentlige faciliteter og store virksomheder har gjort opmuntrende fremskridt hen imod udviklingen af ​​en nyttig kvantecomputer. Sidste år, Google meddelte, at det havde udført beregninger på deres kvanteprocessor kaldet Sycamore på en brøkdel af den tid, det ville have taget verdens største supercomputer at udføre den samme opgave.

Alligevel er de kvanteenheder, vi har i dag, stadig prototyper, beslægtet med de første store vakuumrør-computere fra 194zeroes.

"De maskiner, vi har nu, skalerer slet ikke op meget, " sagde Lyon.

Der er stadig et par forhindringer, forskere skal overvinde, før kvantecomputere bliver levedygtige og konkurrencedygtige. En af de største er at finde en måde at holde sarte qubit-tilstande isoleret længe nok til, at de kan udføre beregninger.

Hvis en omstrejfende foton - en partikel af lys - fra ydersiden af ​​systemet skulle interagere med en qubit, dens bølge ville interferere med qubit'ens superposition, i det væsentlige gør beregningerne til et rodet rod - en proces kaldet dekohærens. Mens køleskabene gør et moderat godt stykke arbejde med at holde uønskede interaktioner på et minimum, de kan kun gøre det i en brøkdel af et sekund.

"Kvantesystemer kan lide at være isolerede, " sagde Lyon, "og der er bare ingen nem måde at gøre det på."

Det er her Lyon og Kowalkowskis simuleringsarbejde kommer ind. Hvis qubits ikke kan holdes kolde nok til at opretholde en sammenfiltret superposition af stater, måske selve enhederne kan konstrueres på en måde, der gør dem mindre modtagelige for støj.

Det viser sig, at superledende hulrum lavet af niobium, bruges normalt til at fremdrive partikelstråler i acceleratorer, kunne være løsningen. Disse hulrum skal konstrueres meget præcist og fungere ved meget lave temperaturer for effektivt at udbrede de radiobølger, der accelererer partikelstråler. Forskere teoretiserer, at ved at placere kvanteprocessorer i disse hulrum, qubits vil være i stand til at interagere uforstyrret i sekunder i stedet for den aktuelle rekord på millisekunder, give dem tid nok til at udføre komplekse beregninger.

Qubits findes i flere forskellige varianter. De kan skabes ved at fange ioner i et magnetfelt eller ved at bruge nitrogenatomer omgivet af kulstofgitteret dannet naturligt i krystaller. Forskningen på Fermilab og Argonne vil være fokuseret på qubits lavet af fotoner.

Lyon og hans team har påtaget sig jobbet med at simulere, hvor godt radiofrekvente hulrum forventes at yde. Ved at udføre deres simuleringer på højtydende computere, kendt som HPC'er, ved Argonne National Laboratory, de kan forudsige, hvor længe foton-qubits kan interagere i dette ultralavt støjmiljø og tage højde for eventuelle uventede interaktioner.

Forskere over hele verden har brugt open source-software til stationære computere til at simulere forskellige anvendelser af kvantemekanik, forsyne udviklere med tegninger til, hvordan de kan inkorporere resultaterne i teknologi. Omfanget af disse programmer, imidlertid, er begrænset af mængden af ​​tilgængelig hukommelse på personlige computere. For at simulere den eksponentielle skalering af flere qubits, forskere skal bruge HPC'er.

"Gå fra én desktop til en HPC, du er måske 10, 000 gange hurtigere, " sagde Matthew Otten, en fellow ved Argonne National Laboratory og samarbejdspartner på projektet.

Når holdet har gennemført deres simuleringer, resultaterne vil blive brugt af Fermilab-forskere til at hjælpe med at forbedre og teste hulrummene, så de fungerer som beregningsenheder.

"Hvis vi opsætter en simuleringsramme, vi kan stille meget målrettede spørgsmål om den bedste måde at opbevare kvanteinformation på og den bedste måde at manipulere den på, sagde Eric Holland, souschefen for kvanteteknologi hos Fermilab. "Vi kan bruge det til at guide, hvad vi udvikler til kvanteteknologier."