Uhyggelige tilstande og ottetal:At træde ind i kvanteberegningsringen

Dybt i det ydre rum former usynlige hænder universet. Den ene er mørkt stof, et uset stof, der menes at binde fjerne galakser. Den anden er mørk energi, en kraft, der menes at skubbe stjernestrukturer fra hinanden med tyngdekraft-trodsende styrke.

På jagt efter tegn på disse mærkelige kosmiske påvirkninger designede forskere ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility en enhed til at måle deres formodede virkninger på roterende elektroner. Så indså de, at ideen holdt løfte i et andet område:kvantecomputere.

Kvantecomputere er den næste grænse inden for informationsteknologi. Når de engang var begrænset til fjern teori og science fiction, udnytter disse maskiner de skøre, vidunderlige kræfter i den submikroskopiske verden til at løse problemer, der kan være for svære for klassiske computere – tænk 1'er og 0'er – og endda de massive supercomputere i ekstrem skala. i dag.

Den blomstrende, globale forfølgelse har taget enorme spring i de seneste år, hvor store teknologivirksomheder, startups og regeringer forfølger en blandet pose af platforme – hver med styrker og svagheder. Men på grund af den delikate mekanik, som disse systemer fungerer på, har den årtier lange søgen efter at bringe dem til pålidelig og praktisk brug indtil videre vist sig at være uhåndgribelig.

Nu kaster et team ledet af Jefferson Lab sin hat i den velkendte ring med en unik "CPU", der er skabt af partikelacceleratorteknologi og studiet af det synlige univers. Den kan konkurrere med eller endda overgå nogle af de støjende, energikrævende prototyper, der bliver udforsket.

"Vi er ved at finde nye veje for vores eksisterende ekspertise inden for kernefysik," sagde Riad Suleiman, den ledende efterforsker på undersøgelsen. "Vores mål er at åbne en ny æra af kvantecomputerforskning på Jefferson Lab."

Kendt ring

Suleiman har specialiseret sig i injektorer, de enheder, der gennemsyrer partikelacceleratorer med deres stråler. Han begyndte at arbejde på Jefferson Lab som en Kent State University-studerende i 1995 og sluttede sig til staben på fuld tid i 2007 efter ophold som postdoc ved MIT og Virginia Tech. Suleiman har sluttet sig til Vasiliy Morozov, en tidligere Jefferson Lab-acceleratorfysiker, der arbejder ved DOE's Oak Ridge National Laboratory, og Matt Grau, en fangede-ion kvantecomputerekspert fra Old Dominion University.

Der blev indgivet et fuldstændigt patent på deres kvanteberegnings-"kerne", som involverer indfangning af ladede atomer (ioner) og indsprøjtning af dem i en otte-figurformet strålelinje. Denne vakuumforseglede ring i rustfrit stål er designet til at opretholde ionernes spin, når de cirkulerer. Lagret på denne måde kan atomerne fungere som kvantebits – kort sagt qubits.

Projektet startede i 2022 under Jefferson Labs Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-program, men dets historie går langt tilbage.

Morozov tilbragte mere end et årti på Jefferson Lab, før han kom til Oak Ridge i 2020. Han var involveret i tidlige designkoncepter for Electron-Ion Collider (EIC), en næste generation af partikelaccelerator, der bygges på DOE's Brookhaven National Laboratory i samarbejde med Jefferson Lab.

Et af EIC-designerne involverede strålelinjer formet som et ottetal, inklusive en ring til lagring af elektroner, før de slår mod accelererede ioner.

"Udfordringen i nogle acceleratorer er, at alle partiklers spin peger i samme retning," sagde Morozov, som stadig er involveret i EIC. "Du er nødt til at holde dem på linje, for hvis du ikke er forsigtig, ender du med en fuldstændig kaotisk orientering. ottetallet blev foreslået som en universel måde at opretholde denne justering for præcisionseksperimenter."

DOE's ultimative EIC-valg var et overvejende cirkulært design, men modellen med ottetal blev ikke skrottet. Suleiman og Morozov dannede et team for at udforske en anden anvendelse af disse nye ringe:søgen efter spor om universets oprindelse og struktur.

Den fysiske verden skylder sin eksistens til et overskud af stof i forhold til antistof, og Suleiman sagde, at figur-otte ringe er et ideelt sted at måle elektronegenskaber, der kunne forklare denne ubalance. Ved at snurre i disse ringe forventes de elementære partikler også at være overfølsomme over for hypotetiske kræfter relateret til mørkt stof og mørk energi.

Under denne forskning fremtryllede Suleimans team en anden anvendelse af ringene.

"Sådan kom ideen til live," sagde Suleiman.

Kvanterige

Kvantecomputere giver ikke nødvendigvis en hurtigere eller mindre CPU, så du vil ikke finde en på dit skrivebord – eller på skødet – lige nu. De har bare adgang til et andet computerrum.

"For nogle af de sværeste problemer, som supercomputere tackler i dag, er der potentialet for kvantecomputere til at løse dem ekstremt effektivt," sagde Grau.

Områder, der kan være til gavn, omfatter kryptografi, datavidenskab, søgealgoritmer og kunstig intelligens. En anden er modelleringen af ​​kvantesystemer, såsom nanomaterialer, kvantekemi, kvanteoptik og kvantefeltteorier.

"Det viser sig, at disse computere er meget gode til at løse kvantefysiske problemer," sagde Grau. "Dette er virkelig nyttigt, hvis du vil simulere veje for visse kemiske reaktioner, eller hvordan et interessant protein i et lægemiddel kan fungere. I stedet for at prøve det i et bægerglas, kan du prøve det i en computer, der naturligt taler kvantemekanikkens sprog ."

Qubits kan sammenlignes med de binære bits på en klassisk computer. Men i stedet for kun at repræsentere et 1 eller 0, kan de repræsentere mange forskellige beregnelige tilstande samtidigt gennem superpositionens underlige kvanteegenskab. Deres processorkraft kan forstærkes yderligere ved at sætte dem sammen via en anden finurlig kvantefunktion kaldet entanglement.

Entanglement er en fundamental mærkelighed ved kvantesystemer, hvor partiklernes fysiske tilstande, såsom spin, kan korreleres direkte - i princippet selvom de er lysår fra hinanden. Dette kan opnås inden for en fælde, der begrænser ionerne - i dette tilfælde Ytterbium - ved hjælp af et oscillerende elektrisk felt. Fælden er under ultrahøjt vakuum og afkølet til temperaturer, der er koldere end det dybe rum.

"En milliontedel af en grad over det absolutte nulpunkt er, hvor al bevægelsen dybest set er blevet frosset ud, og disse partikler er helt stille," sagde Grau. "Ved disse meget kolde temperaturer kan du få en ekstrem mængde kontrol. Dette er afgørende for driften af ​​kvantecomputere."

Derfra sprøjter en kombination af statiske og tidsvarierende elektriske felter ionerne ind i ringen.

Bedømmelse otte

Store teknologivirksomheder som Amazon, Google, Microsoft og IBM udforsker superledende-baseret kvantecomputere, og et andet Jefferson Lab-team samarbejder med den private sektor for at udforske ultra-energieffektiv superledende digital elektronik. Andre virksomheder og startups undersøger neutrale atomer, fangede ioner og fotonik, men det er uklart, hvilken teknologi der vil adskilles fra flokken.

Det mest kritiske krav til en kvantecomputer er uden tvivl, at den er en "lukket boks", hvilket betyder, at den skal være isoleret fra resten af ​​universet. Ekstern interferens eller informationslækage indefra kan forstyrre det skummende hav af sandsynligheder, som computeren opererer på.

Isolation gennem forebyggelse og annullering af eksterne interaktioner gør det muligt for ionerne at opretholde deres kvantetilstande. Denne kvalitet kaldes kohærens, og den skal holde længe nok til, at computeren kan udføre sine komplekse algoritmer.

Takket være et beamline-vakuum og naturligt forekommende annullering af spin-effekterne i et ottetal-layout, forventes en sådan ring at tilbyde sammenhængstider på mere end tre timer. Ligesom i Marvel Cinematic Universes "Ant-Man"-franchise, er tre timer en levetid i kvanteverdenen – og denne levetid overgår langt den nuværende state of the art.

Til sammenligning tilbyder IBMs superledende Condor-computer kohærenstider på omkring 200 mikrosekunder, og Xanadus 216-qubit-system kan gå omkring 34 millisekunder uden dekohering. Quantinuums H2 fangede-ion-system yder lidt bedre end disse platforme med sammenhæng på mere end 100 sekunder, og Atom Computings neutral-atom-platform har en 40-sekunders spændvidde.

8-tal-ringen forventes også at overgå disse systemer i det antal qubits, den kan lagre. På omkring 12 meter lange og 6 meter brede - omkring arealet af en lille lejlighed - kunne disse ringe samle så mange som 3.000 qubits. De kan skalere yderligere op ved at stable flere ringe, sagde Suleiman. Alene antallet af qubits ville gå langt i fejltolerance og fejlkorrektion.

"At være i stand til at beregne præcist med fejlkorrektion betyder normalt, at du har brug for langt flere qubits, end du ville for at tilfredsstille behovene i din algoritme," sagde Grau. "Så skalering er i sidste ende den store udfordring, som alle kvantecomputere står over for."

I mellemtiden opererer IBMs Condor på 1.121 qubits, og Atom Computings neutral-atom-maskine har 1.180. Quantinuums H2 bruger i øjeblikket 32 ​​qubits, ligesom IonQs Forte fangede-ion-system gør.

Brookhaven Lab undersøger også lagerringe til kvanteberegning, men dens patenterede model er elliptisk i design og er afhængig af ekstrem strålekøling. I mellemtiden er Suleimans team på randen af ​​et fuldt patent på sin ottetalsfigur, der udnytter ret robuste kvantespin-effekter, der ikke involverer svære at opnå kvantetræk i partiklens orbitale bevægelse.

"Opbevaringsringen med otte tal blev udviklet simpelthen for at bevare partiklernes spin," sagde Suleiman. "Det er et meget simpelt koncept, men det viste sig at være frugtbart, når man anvender det på forskellige områder. Hvis vi kan begynde at demonstrere dets evner, kan vi en dag arbejde sammen med en virksomhed om at videreudvikle ideen."

Leveret af Thomas Jefferson National Accelerator Facility