Elegant brug af støj til kvanteberegning

Forskere over hele verden arbejder hårdt på at skylle kvantesystemer for støj, som kan forstyrre funktionen af ​​morgendagens kraftfulde kvantecomputere. Forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI) har fundet en måde at bruge støj til at behandle kvanteinformation. Dette hæver ydeevnen af ​​kvanteberegningsenheden, qubit.

Et internationalt samarbejde ledet af forskere ved Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, har vist en alternativ tilgang. Deres metode gør det muligt at bruge støj til at behandle kvanteinformation. Som følge heraf øges ydeevnen af ​​den grundlæggende kvanteberegningsenhed af information, qubit, med 700 %.

Disse resultater er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

"At undgå støj i kvantesystemer har vist sig at være vanskeligt, da næsten enhver ændring i miljøet kan ødelægge ting. For eksempel kan dit system operere ved et givent magnetisk eller elektrisk felt, og hvis dette felt ændrer sig lidt, falder kvanteeffekterne fra hinanden.

"Vi foreslår en helt anden tilgang. I stedet for at slippe af med støj, bruger vi kontinuerlig støjovervågning i realtid og tilpasser systemet, efterhånden som ændringer i miljøet sker," siger ph.d. Forsker ved NBI Fabrizio Berritta, hovedforfatter på undersøgelsen.

Den nye tilgang er mulig takket være den seneste udvikling inden for flere højteknologiske områder.

"Tidligere, for eksempel for 20 år siden, ville det have været muligt at visualisere udsvingene efter eksperimentet, men det ville have været for langsomt at udnytte denne information under selve eksperimentet. Vi bruger FPGA [field-programmable-gate-array] teknologi. for at få målingerne i realtid Og yderligere bruger vi maskinlæring til at fremskynde analysen," forklarer Berritta.

"Hele ideen er at få målingerne og lave analysen i den samme mikroprocessor, der justerer systemet i realtid. Ellers ville ordningen ikke være hurtig nok til kvanteberegningsapplikationer."

Kvanteegenskaber tilføjer værdi

I den nuværende databehandling er den grundlæggende enhed af overførbar information, kendt som bit, bundet til ladningen af ​​elektroner. Det kan kun have én af to værdier, én eller nul – enten er der elektroner, eller også er der ikke. Den tilsvarende kvanteberegningsenhed - kendt som qubit - vil være i stand til at antage mere end to værdier.

Mængden af ​​information indeholdt pr. qubit vil stige eksponentielt med antallet af kvanteegenskaber, man er i stand til at kontrollere, hvilket måske resulterer i computere, der en dag er utroligt stærkere end konventionelle computere.

En hjørnesten i kvantemekanikken er, at de elementære partikler ikke bare har en masse og en ladning, men også et spin. Et andet nøglebegreb er sammenfiltring. Her interagerer to eller flere partikler på en sådan måde, at kvantetilstanden af ​​en enkelt partikel ikke kan beskrives uafhængigt af den eller de andres tilstand.

Protokollen bag de nye resultater integrerer en singlet-triplet spin qubit implementeret i en galliumarsenid dobbelt kvanteprik med FPGA-drevne qubit controllere. Qubit'en involverer to elektroner, hvor begge elektroners tilstand er viklet ind.

Tværfaglig teamindsats

Ligesom andre spin-qubits er singlet-triplet-qubitten sårbar over for selv små forstyrrelser i deres miljø. Fysikerne bruger udtrykket "støj", som ikke skal opfattes bogstaveligt som akustisk støj. I forhold til kvantesystemer kan forstyrrelser som elektriske eller magnetiske feltsvingninger ødelægge kvantetilstandene af interesse.

For at demonstrere den gavnlige brug af miljøudsving, valgte forskerne denne qubit, fordi dens kobling til både magnetisk støj og elektrisk støj er velforstået fra en række tidligere undersøgelser ved NBI, ledet af professor Ferdinand Kuemmeth, der leder en forskningsgruppe om halvledende og superledende kvanteenheder hos NBI.

Den nye undersøgelse samlede forskningsgrupper ved NBI, Purdue University, Norges Videnskabs- og Teknologiske Universitet, virksomhederne QDevil (København) og Quantum Machines (Tel Aviv) på tværs af en række områder såsom qubit-materialer, qubit-fabrikation, qubit-kontrolhardware, kvanteinformationsteori og maskinlæring.

"Dette samarbejde illustrerer, at udviklingen af ​​kvantecomputere ikke længere er en aktivitet, der kan drives af individuelle fysikgrupper. Tag en af ​​vores partnere væk, og dette arbejde ville ikke have været muligt," siger Kuemmeth.

En bedre tilgang til støj

Forskerne ser den nye protokol som en milepæl i retning af udviklingen af ​​kvantecomputere, men indser også, at mange andre milepæle skal nås.

"Det næste skridt for os vil være at anvende vores protokol på systemer af forskellige materialer og med mere end én qubit," siger Berritta. "Jeg kan ikke sige, hvornår vi vil se den første virkelig nyttige kvantecomputer. Måske 10 år fra nu.

"Vi mener i hvert fald at være kommet med en lovende tilgang. Mange kolleger fokuserer på at slippe af med støj for at udvikle bedre qubits, for eksempel ved at forbedre kvaliteten af ​​de materialer, der bruges til at fremstille qubits. Vi har vist, at under visse forhold, man aktivt kan justere for noget af støjen. Dette kan være relevant for andre typer qubits udover typen i vores undersøgelse."

Flere oplysninger: Fabrizio Berritta et al., To-akset realtidsstyring af en spin-qubit, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45857-0

Leveret af Niels Bohr Institutet