En molekylær tilgang til kvanteberegning

Teknologien bag fremtidens kvantecomputere er i hastig udvikling, med flere forskellige tilgange i gang. Mange af strategierne, eller "tegninger, "For kvantecomputere stole på atomer eller kunstige atom-lignende elektriske kredsløb. I en ny teoretisk undersøgelse i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , en gruppe fysikere ved Caltech demonstrerer fordelene ved en mindre undersøgt tilgang, der ikke er afhængig af atomer, men molekyler.

"I kvanteverdenen, vi har flere tegninger på bordet, og vi forbedrer dem alle samtidigt, " siger hovedforfatter Victor Albert, Lee A. DuBridge Postdoc-stipendiat i teoretisk fysik. "Folk har tænkt på at bruge molekyler til at kode information siden 2001, men nu viser vi, hvordan molekyler, som er mere komplekse end atomer, kunne føre til færre fejl i kvanteberegning."

I hjertet af kvantecomputere er det, der er kendt som qubits. Disse ligner bits i klassiske computere, men i modsætning til klassiske bits kan de opleve et bizart fænomen kendt som superposition, hvor de eksisterer i to tilstande eller flere på én gang. Ligesom det berømte tankeeksperiment med Schrödingers kat, som beskriver en kat, der både er død og levende på samme tid, partikler kan eksistere i flere tilstande på én gang. Fænomenet superposition er kernen i kvanteberegning:det faktum, at qubits kan antage mange former samtidigt betyder, at de har eksponentielt mere regnekraft end klassiske bits.

Men superpositionstilstanden er en delikat tilstand, da qubits er tilbøjelige til at kollapse ud af deres ønskede tilstande, og dette fører til computerfejl.

"I klassisk databehandling, du er nødt til at bekymre dig om, at stumperne flipper, hvor en '1' bit går til en '0' eller omvendt, som forårsager fejl, " siger Albert. "Dette er som at vende en mønt, og det er svært at gøre. Men i kvanteberegning, oplysningerne er lagret i skrøbelige superpositioner, og selv kvanteækvivalenten til et vindstød kan føre til fejl."

Imidlertid, hvis en kvantecomputerplatform bruger qubits lavet af molekyler, siger forskerne, disse typer fejl er mere tilbøjelige til at blive forhindret end i andre kvanteplatforme. Et koncept bag den nye forskning kommer fra arbejde udført for næsten 20 år siden af ​​Caltech-forskere John Preskill, Richard P. Feynman professor i teoretisk fysik og direktør for Institute of Quantum Information and Matter (IQIM), og Alexei Kitaev, Ronald og Maxine Linde professor i teoretisk fysik og matematik ved Caltech, sammen med deres kollega Daniel Gottesman (Ph.D. '97) fra Perimeter Institute i Ontario, Canada. Dengang, forskerne foreslog et smuthul, der ville give en vej rundt om et fænomen kaldet Heisenbergs usikkerhedsprincip, som blev introduceret i 1927 af den tyske fysiker Werner Heisenberg. Princippet siger, at man ikke samtidigt kan vide med meget høj præcision, både hvor en partikel er, og hvor den er på vej hen.

"Der er en vittighed, hvor Heisenberg bliver trukket over af en politibetjent, der siger, at han ved, at Heisenbergs hastighed var 90 miles i timen, og Heisenberg svarer, 'Nu aner jeg ikke hvor jeg er, " siger Albert.

Usikkerhedsprincippet er en udfordring for kvantecomputere, fordi det indebærer, at kvantetilstandene af qubits ikke kan kendes godt nok til at afgøre, om der er opstået fejl eller ej. Imidlertid, Gottesman, Kitaev, og Preskill fandt ud af, at mens den nøjagtige position og momentum af en partikel ikke kunne måles, det var muligt at registrere meget små skift til dens position og momentum. Disse skift kan afsløre, at der er opstået en fejl, gør det muligt at skubbe systemet tilbage til den korrekte tilstand. Denne fejlretningsordning, kendt som GKP efter dets opdagere, er for nylig blevet implementeret i superledende kredsløbsenheder.

"Fejl er okay, men kun hvis vi ved, at de sker, " siger Preskill, en medforfatter på Physical Review X papiret og også den videnskabelige koordinator for et nyt Department of Energy-finansieret videnskabscenter kaldet Quantum Systems Accelerator. "Hele pointen med fejlkorrektion er at maksimere mængden af ​​viden, vi har om potentielle fejl."

I det nye blad, dette koncept anvendes på roterende molekyler i superposition. Hvis orienteringen eller vinkelmomentet af molekylet forskydes med en lille mængde, disse skift kan korrigeres samtidigt.

"Vi ønsker at spore kvanteinformationen, når den udvikler sig under støjen, " siger Albert. "Larmen sparker os lidt rundt. Men hvis vi har en nøje udvalgt superposition af molekylernes tilstande, vi kan måle både orientering og vinkelmomentum, så længe de er små nok. Og så kan vi sparke systemet tilbage for at kompensere."

Jacob Covey, en medforfatter på papiret og tidligere Caltech-postdoktor, der for nylig sluttede sig til fakultetet ved University of Illinois, siger, at det måske er muligt i sidste ende individuelt at kontrollere molekyler til brug i kvanteinformationssystemer som disse. Han og hans team har gjort fremskridt med at bruge optiske laserstråler, eller "pincet, " at kontrollere enkelte neutrale atomer (neutrale atomer er en anden lovende platform for kvanteinformationssystemer).

"Molekylernes appel er, at de er meget komplekse strukturer, der kan pakkes meget tæt, " siger Covey. "Hvis vi kan finde ud af, hvordan vi kan bruge molekyler i kvanteberegning, vi kan robust indkode information og forbedre effektiviteten, som qubits pakkes i."

Albert siger, at trioen af ​​ham selv, forudgående færdigheder, og Covey leverede den perfekte kombination af teoretisk og eksperimentel ekspertise for at opnå de seneste resultater. Han og Preskill er begge teoretikere, mens Covey er eksperimentel. "Det var virkelig rart at have en som John til at hjælpe mig med rammerne for al denne teori om fejlkorrigerende koder, og Jake gav os afgørende vejledning om, hvad der sker i laboratorier."

siger Preskill, "Dette er et papir, som ingen af ​​os tre kunne have skrevet på egen hånd. Det, der virkelig er sjovt ved kvanteinformationsfeltet, er, at det opmuntrer os til at interagere på tværs af nogle af disse skel, og Caltech, med sin lille størrelse, er det perfekte sted at få dette gjort."

Det Fysisk gennemgang X undersøgelsen har titlen "Robust kodning af en qubit i et molekyle."