Forskere tager en anden tilgang med målebaseret kvanteberegning

Kapløbet om at udvikle kvantecomputere er virkelig blevet varmet op i løbet af de sidste par år. Avancerede systemer kan nu køre simple algoritmer ved hjælp af snesevis af qubits – eller kvantebits – som er byggestenene i kvantecomputere.

Meget af denne succes er opnået i såkaldte gate-baserede kvantecomputere. Disse computere bruger fysiske komponenter, især superledende kredsløb, til at hoste og kontrollere qubits. Denne tilgang ligner meget konventionelle, enhedsbaserede klassiske computere. De to computerarkitekturer er således relativt kompatible og kunne bruges sammen. Desuden kunne fremtidige kvantecomputere fremstilles ved at udnytte de teknologier, der bruges til at fremstille konventionelle computere.

Men Optical Quantum Computing Research Team på RIKEN Center for Quantum Computing har taget en meget anderledes tilgang. I stedet for at optimere gate-baserede kvantecomputere har Atsushi Sakaguchi, Jun-ichi Yoshikawa og teamleder Akira Furusawa udviklet målebaseret kvanteberegning.

Målebaseret databehandling

Målebaserede kvantecomputere behandler information i en kompleks kvantetilstand kendt som en klyngetilstand, som består af tre (eller flere) qubits forbundet med et ikke-klassisk fænomen kaldet entanglement. Sammenfiltring er, når egenskaberne af to eller flere kvantepartikler forbliver forbundet, selv når de er adskilt af store afstande.

Målebaserede kvantecomputere fungerer ved at foretage en måling på den første qubit i klyngetilstanden. Resultatet af denne måling bestemmer, hvilken måling der skal udføres på den anden entangled qubit, en proces kaldet feedforward. Dette bestemmer så, hvordan man måler den tredje. På denne måde kan enhver kvanteport eller kredsløb implementeres gennem det passende valg af rækken af ​​målinger.

Målebaserede skemaer er meget effektive, når de bruges på optiske kvantecomputere, da det er let at vikle et stort antal kvantetilstande ind i et optisk system. Dette gør en målebaseret kvantecomputer potentielt mere skalerbar end en gate-baseret kvantecomputer. For sidstnævnte skal qubits være præcist fremstillet og tunet til ensartethed og fysisk forbundet med hinanden. Disse problemer løses automatisk ved at bruge en målebaseret optisk kvantecomputer.

Det er vigtigt, at målebaseret kvanteberegning tilbyder programmerbarhed i optiske systemer. "Vi kan ændre operationen ved blot at ændre målingen," siger Sakaguchi. "Dette er meget nemmere end at ændre hardwaren, som gated-baserede systemer kræver i optiske systemer."

Men feedforward er afgørende. "Feedforward er en kontrolmetodologi, hvor vi feeder måleresultaterne til en anden del af systemet som en form for kontrol," forklarer Sakaguchi. "I målebaseret kvanteberegning bruges feedforward til at kompensere for den iboende tilfældighed i kvantemålinger. Uden feedforward-operationer bliver målebaseret kvanteberegning probabilistisk, mens praktisk kvanteberegning skal være deterministisk."

Optical Quantum Computing Research Team og deres medarbejdere – fra University of Tokyo, Palacký University i Tjekkiet, Australian National University og University of New South Wales, Australien – har nu demonstreret en mere avanceret form for feedforward:ikke-lineær feedforward. Ikke-lineær feedforward er påkrævet for at implementere hele spektret af potentielle porte i optikbaserede kvantecomputere. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

"Vi har nu eksperimentelt demonstreret ikke-lineær kvadraturmåling ved hjælp af en ny ikke-lineær feedforward-teknologi," forklarer Sakaguchi. "Denne type måling havde tidligere været en barriere for at realisere universelle kvanteoperationer i optisk målebaseret kvanteberegning."

Optiske computere

Optiske kvantecomputere bruger qubits lavet af bølgepakker af lys. På andre institutioner havde nogle af det nuværende RIKEN-team tidligere konstrueret de store optiske klyngetilstande, der er nødvendige for målebaseret kvanteberegning. Lineær feedforward er også blevet opnået for at konstruere enkle portoperationer, men mere avancerede porte har brug for ikke-lineær feedforward.

En teori for praktisk implementering af ikke-lineær kvadraturmåling blev foreslået i 2016. Men denne tilgang gav to store praktiske vanskeligheder:generering af en særlig hjælpetilstand (som holdet opnåede i 2021) og udførelse af en ikke-lineær feedforward-operation.

Holdet overvandt sidstnævnte udfordring med kompleks optik, specielle elektro-optiske materialer og ultrahurtig elektronik. For at gøre dette udnyttede de digitale hukommelser, hvor de ønskede ikke-lineære funktioner blev forudberegnet og optaget i hukommelsen. "Efter målingen omdannede vi det optiske signal til et elektrisk," forklarer Sakaguchi. "I lineær feedforward forstærker eller dæmper vi bare det signal, men vi var nødt til at lave meget mere kompleks behandling for ikke-lineær feedforward."

De vigtigste fordele ved denne ikke-lineære feedforward-teknik er dens hastighed og fleksibilitet. Processen skal være hurtig nok til, at outputtet kan synkroniseres med den optiske kvantetilstand.

"Nu hvor vi har vist, at vi kan udføre ikke-lineær feedforward, ønsker vi at anvende det til faktiske målebaserede kvanteberegninger og kvantefejlkorrektion ved hjælp af vores tidligere udviklede system," siger Sakaguchi. "Og vi håber at være i stand til at øge den højere hastighed af vores ikke-lineære feedforward til højhastigheds optisk kvanteberegning."

"Men nøglebudskabet er, at selvom superledende kredsløbsbaserede tilgange kan være mere populære, er optiske systemer en lovende kandidat til kvantecomputerhardware," tilføjer han.

Flere oplysninger: Atsushi Sakaguchi et al., ikke-lineær feedforward, der muliggør kvanteberegning, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-39195-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af RIKEN