En ny strategi til at implementere en high-fidelity blandet-arter indfiltring gate

I de seneste år, forskerhold verden over har forsøgt at skabe fangede ion kvantecomputere, som hidtil har vist sig at være blandt de mest lovende systemer til praktiske quantum computing -implementeringer. I disse computere, indfangede ioner tjener som kvantebits, der er viklet ind for at udføre avancerede beregninger.

På en søgen efter at udvikle skalerbare fangede ionkvantecomputere, forskere ved University of Oxford har for nylig implementeret en to-qubit sammenfiltringsport mellem to adskilte atomelementer, calcium og strontium. I deres undersøgelse, fremhævet i Fysisk gennemgangsbreve , de brugte en portmekanisme, der kun kræver en enkelt laser, som de tidligere havde testet på to forskellige calciumisotoper.

En af de største udfordringer i udviklingen af ​​fangede ionkvantecomputere er skalerbarhed (dvs. finde måder at anvende tilgange, der opnåede lovende resultater på nogle få qubits til tusinder eller endda millioner af qubits). Faktisk, ganske enkelt tilføjelse af nye qubits til et kvanteberegningssystem resulterer ofte i et hurtigt fald i ydeevne, da det introducerer nye fejl og gør det sværere at interagere med en enkelt qubit uden at påvirke nogle af de andre.

For at overkomme denne udfordring, forskergruppen ved University of Oxford brugte to metoder kendt som modularisering og optisk netværk. I det væsentlige, deres mål var at have ioner i separate ionfælder og vakuumsystemer, som kun er forbundet via optiske fibre.

Denne tilgang begrænser krydstale mellem qubits, bevarer kun interaktioner, der er ønskelige og kan kontrolleres af forskerne. Det betyder, at når et system, der fungerer godt, er identificeret, mere af det samme kan tilføjes, da nye ikke vil påvirke den samlede præstation.

"Til denne tilgang, men også andre strategier til forbedring af skalerbarhed, at bruge forskellige ionarter er meget nyttigt, "Vera M. Schäfer, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Først og fremmest, fordi forskellige ioner har forskellige styrker og svagheder. For eksempel, vi bruger en ionart, der er en meget god hukommelse og logisk ion - det betyder, at den kan gemme information i meget lang tid (50'erne i forhold til titusinder af millisekunder for 'normale' fangede ionqubits), og vi får meget små fejl, når vi udfører beregninger med denne ionart; den anden art er meget bedre (og hurtigere) ved kobling til fotoner. For det andet fordi et problem med fangede ioner er, at de langsomt opvarmes over tid. Hvis vi har to forskellige arter, vi kan bruge den anden art til at afkøle ionerne under en beregning, hvilket mindsker varmeproblemet. "

At bruge forskellige arter til at realisere fangede ion-kvanteberegningsapplikationer, forskere bør være i stand til at overføre oplysninger mellem disse arter. Dette kan gøres ved at producere det, der er kendt som en to-qubit gate.

I et af deres tidligere studier, Schäfer, Amy Hughes og hendes kolleger udførte med succes en to-qubit port mellem forskellige calciumisotoper. Implementering af en sådan port mellem helt forskellige atomare elementer, imidlertid, ville være langt mere nyttig. Dette skyldes, at forskellige elementer har meget forskellige egenskaber og viser forskellige overgangsfrekvenser.

Som resultat, når du udfører en operation på en art ved hjælp af laserteknologi, de andre arter ville forblive helt upåvirkede. Samtidigt, imidlertid, da de to elementer også kan have forskellige masser, at kontrollere deres bevægelse kan være langt mere kompliceret.

"I vores tidligere arbejde, vi udførte porten på to forskellige isotoper af calcium med en enkelt laser, hvilket var en ganske naturlig beslutning, fordi de fleste overgangsfrekvenser stadig er ret tætte i forskellige isotoper, "Sagde Schäfer." Men vi bemærkede, at for strontium, det grundstof, der er bedst egnet til at bruge sammen med calcium, overgangsfrekvenserne er ikke så langt fra hinanden, og [vi troede], at vi måske kunne bruge den samme ordning, der fungerede for forskellige isotoper for forskellige elementer. "

Ligheden mellem overgangsfrekvenserne for calcium og strontium forenklede i høj grad det aktuelle problem, i sidste ende tillader forskerne at opnå højere troskab end dem, der opnås, når de producerer andre blandede elementporte. Deres vellykkede implementering af en blandet artsport kan være et betydeligt skridt fremad i realiseringen af ​​storskala kvanteberegning, samtidig med at det giver forskere mulighed for samtidigt at udnytte egenskaberne af to forskellige elementer.

"Den grundlæggende idé bag indespærrede ionindviklede porte er at skabe en sammenhæng mellem ionernes qubit -tilstande via deres bevægelse, som er stærkt koblet, når de frastøder hinanden på grund af deres ladning, " sagde Schäfer. "Laserlys kan kobles til ionernes bevægelse og, for eksempel, skubbe dem i en bestemt retning. Vi kan anvende laserlys, der kobler forskelligt til ioner i modsatte qubit -tilstande, f.eks., det vil skubbe en ion i tilstand |1> , men træk en ion i tilstand | 0> . Dermed, for nogle qubit -tilstandskombinationer vil den fælles bevægelse blive annulleret og for andre forbedret, og det kan vi bruge til at skabe sammenfiltring."

Mange forskere, der tidligere implementerede to-qubit sammenfiltrede porte af blandet art, brugte forskellige lasere til at manipulere forskellige elementer. At gøre dette, imidlertid, forskerne skal sikre, at de to lasere er godt synkroniseret og kalibreret, så de har en lignende effekt på de to forskellige ionarter.

Schäfer, Hughes og deres kolleger, på den anden side, kun brugt en enkelt laser. Dette betyder, at selvom de ikke behøvede at synkronisere det på nogen bestemt måde, de havde også færre frihedsgrader til rådighed til kalibrering og måtte identificere en position, der ville gøre det muligt at parre begge arter på en lignende måde. Da krystaller af blandede arter er mere følsomme over for særlige ydre virkninger (f.eks. omstrejfende elektriske felter), forskerne skulle være mere forsigtige under kalibreringen, end de ville, når de implementerede en enkelt artsport.

"Porten blev implementeret ved hjælp af et par laserstråler (ved ca. 402 nm), som kan koble til og excitere bevægelsen af ​​både calcium og strontium samtidigt, "Schäfer forklarede." Vi brugte tre forskellige metoder til at karakterisere portens ydeevne:måling af udgangstilstanden efter en enkelt gate og sammenligning med den ideelle output; kører en sekvens af porte, der ligner en algoritme med og uden at indflette vores port og sammenligne størrelsen af ​​fejl mellem de to; og køresekvenser, der forbedrer forskellige typer fejl for at karakterisere arten af ​​vores fejlkilder."

For at evaluere deres ports ydeevne, forskerne brugte tre metoder kendt som delvis-tilstandstomografi, randomiseret benchmarking og gate sæt tomografi. Delstatistomografi består i at implementere en enkelt port og derefter måle dens udgangstilstand.

"Dette er den enkleste og mest almindeligt anvendte metode, " sagde Schäfer. "Fordi vi i gennemsnit kun får en fejl i to ud af 1, 000 porte, vi er nødt til at gøre dette mange gange for at få et præcist skøn over gate -fejlen, og det er sværere at skelne mellem, hvor mange fejl der blev forårsaget af selve porten, og hvor mange af udlæsningen af ​​den endelige tilstand, sammenlignet med den anden metode, vi brugte. "

Randomiseret benchmarking, den anden evalueringsstrategi anvendt af Schäfer, Hughes og deres kolleger, indebærer implementering af flere på hinanden følgende porte, mens der indsættes forskellige typer porte mellem dem for løbende at ændre inputtilstanden, hvorefter hver låge påføres. Efterfølgende, forskerne sammenlignede fejlen mellem kun denne tilfældige sekvens og en sekvens, hvor deres port intermitterende blev indført mellem de tilfældige porte.

"Randomiseret benchmarking er bedre egnet til at måle meget små fejl, fordi vi udfører mange portoperationer, før vi læser den endelige tilstand op, og resultatet er mere sammenligneligt med den forventede ydelse i en reel algoritme, " sagde Schäfer.

Endelig, port sæt tomografi, den sidste metode, som forskerne brugte til at evaluere deres port, forsøger at kvantificere og karakterisere fejl, der opstår, når en gate implementeres. At gøre dette, den producerer sekvenser, der er designet til at øge effekten af ​​bestemte typer fejl for at kvantificere den samlede fejlmængde af hver type. Oplysningerne fra brug af denne teknik er nyttige for teoretikere, der forsøger at udvikle mere effektive fejlrettelsesordninger.

"Jeg tror, ​​at arbejde med blandede arter nogle gange har ry for at være ret komplekst og svært og svært at gøre godt, "Sagde Schäfer." Vores arbejde viste, at ved at vælge den rigtige ordning, vi kan faktisk udføre blandede artsporte næsten lige så godt som enkelte artsporte. Der er også et par ting, man kan bekymre sig om i starten, det viste sig at være fuldstændig irrelevant i denne ordning. "

Den nylige undersøgelse foretaget af Schäfer, Hughes og deres kolleger kunne i sidste ende bidrage til skabelsen af ​​nye fangede ion-kvanteberegningsmetoder, der er nemmere at skalere op. I fremtiden, det kan også tjene som inspiration for andre forskningsgrupper, der forsøger at implementere blandede arter, der forvikler porte, give nogle vejledninger om, hvordan man bedst opnår dette.

"Vi tester nu en anden blandede arter sammenfiltring gate mekanisme, og vil sammenligne deres fordele, ulemper og krav for at kunne vælge den bedste ordning under givne omstændigheder, " sagde Schäfer. "Vi ønsker også at implementere denne blandede arter-port på vores ion-foton-indfiltringseksperiment, at demonstrere dens anvendelse til at bygge en skalerbar fanget ion -kvantecomputer og bruge den til at udføre sammenfiltringsdestillation. "

© 2020 Science X Network