Badania teoretyczne proponują skalowalne, modułowe podejście do obliczenia kwantowewykorzystując nowatorską metodę łączenia kubitów na różne odległości bez dopasowywania ich pierwotnych częstotliwości, torując drogę praktycznym postępom w rozwoju procesorów kwantowych.
Komputery kwantowe działają poprzez kodowanie i przetwarzanie informacji za pomocą bitów kwantowych, czyli kubitów, które są zdefiniowane przez dwa stany układów kwantowych, takie jak elektrony lub fotony. W przeciwieństwie do klasycznych komputerów, które używają bitów binarnych o wartości zero lub jeden, kubity mogą istnieć w superpozycji obu stanów jednocześnie. Ta wyjątkowa właściwość pozwala komputerom kwantowym wykonywać określone obliczenia wykładniczo szybciej niż nawet najpotężniejsze współczesne superkomputery.
Aby osiągnąć swój pełny potencjał, komputery kwantowe potrzebują milionów bitów kwantowych, czyli kubitów. Jednak pojawia się wyzwanie, ponieważ systemy przetwarzania informacji kwantowych są skalowane do wielu kubitów. Do kontrolowania nawet kilku kubitów potrzebna jest bardzo złożona elektronika, a skalowanie tego złożonego obwodu stanowi główną przeszkodę.
Innowacyjne rozwiązania w zakresie skalowania
W niedawnych badaniach teoretycznych zespół fizyków, kierowany przez profesor Vanitę Srinivasę z Uniwersytetu Rhode Island, przewiduje modułowy system skalowania procesorów kwantowych z elastycznym sposobem łączenia kubitów na duże odległości, aby umożliwić im wspólną pracę w celu wykonywania operacji kwantowych. Zdolność do przeprowadzania takich skorelowanych lub „splątanych” operacji pomiędzy połączonymi kubitami jest podstawą ulepszonych obliczeń kwantowych mocy w porównaniu z obecnymi komputerami. Nowy artykuł na temat ich badań, którego współautorami są Srinivasa, Jacob M. Taylor z Uniwersytetu Maryland i Narodowego Instytutu Standardów i Technologii oraz Jason R. Petta z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, został niedawno opublikowany w czasopiśmie dziennik PRX Quantum.
„Każdy kubit w komputerze kwantowym działa z określoną częstotliwością. Wykorzystanie możliwości charakterystycznych dla komputera kwantowego polega na możliwości indywidualnego sterowania każdym kubitem za pomocą odrębnej częstotliwości, a także łączenia par kubitów poprzez dopasowywanie ich częstotliwości” – powiedział Srinivasa, dyrektor programu Quantum Information Science w URI i adiunkt fizyki. „Ponieważ procesor kwantowy jest skalowany do większej liczby kubitów, możliwość jednoczesnego wykonania obu operacji dla każdego kubitu staje się bardzo trudna. W naszej pracy opisujemy, jak zastosowanie napięć oscylacyjnych skutecznie generuje dodatkowe częstotliwości dla każdego kubitu, aby połączyć wiele kubitów bez konieczności dopasowywania wszystkich ich pierwotnych częstotliwości. Umożliwia to łączenie kubitów, jednocześnie pozwalając każdemu kubitowi zachować odrębną częstotliwość do indywidualnej kontroli.
Procesory kwantowe oparte na półprzewodnikach
Używanie półprzewodniki budowanie procesorów kwantowych jest w zasadzie bardzo obiecujące w przypadku skalowania kubitów do dużych liczb. Istniejąca obecnie zaawansowana technologia półprzewodników stanowi podstawę do wytwarzania chipów zawierających miliardy maleńkich tranzystorów i można ją wykorzystać do tworzenia kubitów o niewielkich rozmiarach, powiedział Srinivasa. Ponadto przechowywanie kubitów jako wewnętrznej właściwości elektronów i innych cząstek półprzewodnikowych zwanej spinem zapewnia lepszą ochronę przed utratą informacji kwantowej, nieodłączną cechą każdej platformy obliczeń kwantowych.
Jednak skalowanie procesora kwantowego poprzez proste dodawanie coraz większej liczby kubitów spinowych i powiązanych z nimi obwodów sterujących do pojedynczego układu kubitów jest w praktyce bardzo trudne. Praca teoretyczna Srinivasy i jej współpracowników rozwiązuje ten problem, dostarczając przewodnika krok po kroku, który pokazuje wiele sposobów splątania kubitów spinowych na duże odległości z elastycznością w dopasowywaniu ich częstotliwości.
Wynikająca z tego elastyczność otwiera drogę do modułowego przetwarzania informacji kwantowej w oparciu o półprzewodniki, co stanowi alternatywne podejście do budowania systemów wielokubitowych przy użyciu małych układów kubitów – modułów – które można już dziś wykonać i łączenia ich solidnymi, dalekiego zasięgu splątane linki.
„To podejście do skalowania przypomina budowanie większego systemu z klocków LEGO o stałych rozmiarach, które przypominają pojedyncze moduły, i łączenie ich za pomocą dłuższych elementów, które są wystarczająco mocne, aby utrzymać połączenie między blokami przez wystarczający czas, zanim wpływy zewnętrzne zerwą powiązania” – powiedział Srinivasa. „Pod warunkiem dostępności szybkich i niezawodnych połączeń między kubitami na duże odległości, takie modułowe podejście umożliwia skalowanie, zapewniając jednocześnie więcej miejsca na obwody sterujące kubitami spinowymi”. Nie zademonstrowano jeszcze w pełni modułowych procesorów kwantowych opartych na półprzewodnikach.
Postępy w kubitach spinowych opartych na kropkach kwantowych
Chociaż istnieje wiele typów kubitów i odpowiadająca im różnorodność sposobów ich interakcji, badacze zdecydowali się zbadać kubity spinowe oparte na kropkach kwantowych, które oddziałują poprzez fotony mikrofalowe we wnęce nadprzewodzącej. Kropki kwantowe to struktury przypominające atomy stworzone w celu ograniczenia elektronów – i innych cząstek używanych do definiowania kubitów – w małych przestrzeniach w półprzewodnikach i kontrolowania ich indywidualnie poprzez przyłożenie napięcia. Podobnie wnęki nadprzewodzące to wytworzone struktury, które zatrzymują fotony, ale są znacznie większe niż kropki kwantowe, a ich rozmiar zależy od długości fali mikrofal.
Niedawne eksperymenty wykazały połączenia długodystansowe między kubitami spinowymi kropek kwantowych za pomocą fotonów wnękowych mikrofal. (Pierwszą demonstrację dwóch kubitów spinowych w krzemie przeprowadziła eksperymentalna grupa badawcza współautora Jasona Petty.)
Jednak dostrojenie całego kubitu i foton częstotliwości, dzięki czemu dokładnie do siebie pasują i mogą wymieniać energię – stan zwany rezonansem – ustanowienie połączenia stanowi problem nawet na poziomie dwóch kubitów – czytamy w artykule. Aby rozwiązać ten problem, badacze przedstawili wysoce przestrajalne podejście do łączenia kubitów za pomocą fotonów mikrofalowych, które nie opiera się na jednoczesnym rezonansie pomiędzy wszystkimi pierwotnymi częstotliwościami kubitów i wnęk.
W swoim artykule naukowcy przedstawiają kompleksowe wytyczne dotyczące dostosowanych długodystansowych połączeń splątujących, które zapewniają elastyczność poprzez udostępnienie wielu częstotliwości każdemu kubitowi w celu połączenia go z fotonami wnęki mikrofalowej o danej częstotliwości, „jak wiele kluczy, które pasują do danego zamka, – powiedział Srinivasa.
Dodatkowe częstotliwości można wygenerować, przykładając napięcie oscylacyjne do każdego kubitu spinowego, który przesuwa spiny w przód i w tył w kropkach kwantowych. Jeśli ten ruch tam i z powrotem jest wystarczająco szybki, dla każdego kubitu oprócz częstotliwości charakterystycznej tworzone są dwie częstotliwości wstęgi bocznej – jedna wyższa i jedna niższa niż pierwotna częstotliwość kubitu.
Dodanie częstotliwości pasma bocznego skutkuje trzema sposobami dostrojenia każdego kubitu do rezonansu z fotonami wnęki mikrofalowej, a w konsekwencji dziewięcioma różnymi warunkami, w których można połączyć dwa kubity.
Ta elastyczność warunków rezonansowych znacznie ułatwiłaby dodawanie kubitów do systemu, ponieważ nie trzeba ich wszystkich dostrajać do tej samej częstotliwości. Co więcej, dziewięć sposobów łączenia dwóch kubitów umożliwia wybór kilku różnych typów operacji splątania poprzez odpowiednie ustawienie napięć oscylacyjnych, bez konieczności modyfikowania struktury kropek kwantowych lub fotonów wnękowych.
Wszechstronność typów połączeń splątanych umożliwia rozszerzony zestaw elementarnych operacji kwantowych, za pomocą których można wykonywać obliczenia. Na koniec badacze wykazali, że proponowana przez nich metoda splątania jest mniej wrażliwa na wyciek fotonów z wnęki niż poprzednie podejścia, co pozwala na utworzenie solidniejszych połączeń długodystansowych między kubitami spinowymi.
„Połączenie elastyczności w dopasowywaniu częstotliwości, wszechstronności w dostosowywaniu typów operacji splątania kwantowego między kubitami i zmniejszonej wrażliwości na wyciek fotonów z wnęki sprawia, że proponowane przez nas podejście oparte na częstotliwości pasma bocznego jest obiecujące w przypadku realizacji modułowego procesora kwantowego wykorzystującego kubity półprzewodnikowe” – powiedział Srinivasa . „Nie mogę się doczekać kolejnego kroku, czyli zastosowania tych pomysłów do prawdziwych urządzeń kwantowych w laboratorium i dowiedzenia się, co musimy zrobić, aby to podejście sprawdziło się w praktyce”.
Odniesienie: „Cavity-Mediated Entanglement of Parametrically Driven Spin Qubits via Sidebands” autorstwa V. Srinivasy, JM Taylora i JR Petty, 21 maja 2024 r., PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020339
