Udvikling af næste generation af kvantealgoritmer og materialer

Kvantecomputere forventes at revolutionere den måde, forskere løser vanskelige computerproblemer på. Disse computere bliver designet til at tackle store udfordringer inden for grundlæggende forskningsområder, såsom kvantekemi. I dets nuværende udviklingsstadium er kvantecomputere stadig meget følsomme over for støj og forstyrrende faktorer i miljøet. Dette gør kvanteberegning "støjende", da kvantebits - eller qubits - mister information ved at komme ud af synkronisering, en proces kaldet dekohærens.

For at overvinde begrænsningerne ved nuværende kvantecomputere udvikler forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) simuleringer, der giver et indblik i, hvordan kvantecomputere fungerer.

"Når vi forsøger direkte at observere kvantesystemers adfærd, som qubits, vil deres kvantetilstande kollapse," sagde PNNL Computer Scientist Ang Li. Li er også forsker for Quantum Science Center og Co-Design Center for Quantum Advantage - to af de fem Department of Energy National Quantum Information Science Research Centres. "For at komme uden om dette bruger vi simuleringer til at studere qubits og deres interaktion med miljøet."

Li og samarbejdspartnere ved Oak Ridge National Laboratory og Microsoft bruger højtydende computing til at udvikle simulatorer, der efterligner rigtige kvanteenheder til at udføre komplekse kvantekredsløb. For nylig kombinerede de to forskellige typer simuleringer for at skabe Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) for at teste kvantealgoritmer.

"At teste kvantealgoritmer på kvanteenheder er langsomt og dyrt. Også nogle algoritmer er for avancerede til nuværende kvanteenheder," sagde Li. "Vores kvantesimulatorer kan hjælpe os med at se ud over begrænsningerne af eksisterende enheder og teste algoritmer for mere sofistikerede systemer."

Algorithmer til kvantecomputere

Nathan Wiebe, en PNNL fælles udnævnt fra University of Toronto og tilknyttet professor ved University of Washington, tager en anden strategi med at skrive kode til kvantecomputere. Selvom det til tider kan være frustrerende at være begrænset af de nuværende kvanteenheders muligheder, ser Wiebe denne udfordring som en mulighed.

"Støjende kvantekredsløb producerer fejl i beregninger," sagde Wiebe. "Jo flere qubits, der er nødvendige for en beregning, jo mere fejltilbøjelig er den."

Wiebe og samarbejdspartnere fra University of Washington udviklede nye algoritmer til at korrigere for disse fejl i visse typer simuleringer.

"Dette arbejde giver en billigere og hurtigere måde at udføre kvantefejlkorrektion på. Det bringer os potentielt tættere på at demonstrere et beregningsmæssigt nyttigt eksempel på en kvantesimulering til kvantefeltteori på kortsigtet kvantehardware," sagde Wiebe.

Mørkt stof møder kvanteberegning

Mens Wiebe søger at afbøde støj ved at skabe algoritmer til fejlkorrektion, ser fysiker Ben Loer og hans kolleger på omgivelserne for at kontrollere eksterne støjkilder.

Loer bruger sin baggrund i at opnå ultralave niveauer af naturlig radioaktivitet – der kræves for at søge efter eksperimentelle beviser for mørkt stof i universet – for at hjælpe med at forhindre qubit-dekohærens.

"Stråling fra miljøet, såsom gammastråler og røntgenstråler, findes overalt," sagde Loer. "Da qubits er så følsomme, havde vi en idé om, at denne stråling kan forstyrre deres kvantetilstande."

For at teste dette gik Loer, projektleder Brent VanDevender og kollega John Orrell sammen med forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og MIT's Lincoln Laboratory brugte et blyskjold til at beskytte qubits mod stråling. De designede skjoldet til brug i et fortyndingskøleskab - en teknologi, der bruges til at producere den temperatur lige over det absolutte nulpunkt, der er nødvendig for at drive superledende qubits. De så, at qubit-dekohærens faldt, når qubit'erne blev beskyttet.

Selvom dette er det første skridt mod at forstå, hvordan stråling påvirker kvanteberegning, planlægger Loer at se på, hvordan stråling forstyrrer kredsløb og substrater i et kvantesystem. "Vi kan simulere og modellere disse kvanteinteraktioner for at hjælpe med at forbedre designet af kvanteenheder," sagde Loer.

Loer tager sit blybeskyttede fortyndingskøleskabsforskning under jorden i PNNL's Shallow Underground Laboratory med hjælp fra PNNL-kemiker Marvin Warner

"Hvis vi udvikler en kvanteenhed, der ikke fungerer, som den skal, skal vi være i stand til at lokalisere problemet," sagde Warner. "Ved at afskærme qubits fra ekstern stråling kan vi begynde at karakterisere andre potentielle støjkilder i enheden." + Udforsk yderligere

Fejltolerant kvantecomputerhukommelse i diamant