Наприкінці минулого року технологічний гігант IBM оголосив про те, що може здатися важливою віхою в квантових обчисленнях: перший в історії чіп під назвою Condor із понад 1,000 квантових бітів або кубітів. З огляду на те, що це було лише через два роки після того, як компанія представила Eagle, перший чіп із понад 100 кубітами, здавалося, що поле стрімко розвивається. Створення квантових комп’ютерів, які можуть вирішувати корисні проблеми, що виходять за рамки навіть найпотужніших сучасних класичних суперкомп’ютерів, вимагає ще більшого їх масштабування — можливо, до багатьох десятків чи сотень тисяч кубітів. Але це, звичайно, лише питання техніки, чи не так?

Не обов'язково. Проблеми розширення настільки великі, що деякі дослідники вважають, що для цього знадобиться апаратне забезпечення, яке повністю відрізняється від мікроелектроніки, яку використовують такі компанії, як IBM і Google. Кубіти в Condor і чіпі Google Sycamore зроблені з петель із надпровідного матеріалу. Ці надпровідні кубіти досі були зайцями в гонці за повномасштабні квантові обчислення. Але тепер позаду приходить черепаха: кубіти, виготовлені з окремих атомів.

Останні досягнення перетворили ці «кубіти з нейтральними атомами» з аутсайдерів на провідних суперників.

«Останні два-три роки стали більш стрімкими, ніж будь-який попередній такий період», — сказав фізик Марк Саффман з Університету Вісконсіна, Медісон, який нарахував щонайменше п’ять компаній, які змагаються за комерціалізацію квантових обчислень на нейтральних атомах.

Як і біти в звичайних комп’ютерах, кубіти кодують двійкову інформацію — 1 і 0. Але в той час як біт завжди знаходиться в тому чи іншому стані, інформацію в кубіті можна залишити невизначеною, у так званій «суперпозиції», яка надає ваги обом можливостям. Щоб виконати обчислення, кубіти зв’язуються за допомогою явища, яке називається квантовою заплутаністю, що робить їхні можливі стани взаємозалежними. Конкретний квантовий алгоритм може вимагати послідовних зв’язків між різними наборами кубітів, і відповідь зчитується в кінці обчислення, коли проводиться вимірювання, згортаючи кожну суперпозицію до певного 1 або 0.

Ідея використання квантових станів нейтральних атомів для кодування інформації таким чином була запропонований на початку 2000-х гарвардським фізиком Михайло Лукін і колеги, і Також групою під керівництвом Іван Дойч Університету Нью-Мексико. Довгий час ширше дослідницьке співтовариство погоджувалося, що квантові обчислення з нейтральними атомами були чудовою ідеєю в принципі, сказав Лукін, але що «це просто не працює» на практиці.

«Але через 20 років інші підходи не завершили угоду», — сказав Саффман. «Набір навичок і методи, необхідні для того, щоб змусити нейтральні атоми працювати, поступово розвивалися до точки, коли вони виглядали дуже багатообіцяючими».

Лабораторія Лукіна в Гарварді була однією з провідних. У грудні він і його колеги повідомляє що вони створили програмовані квантові схеми із сотнями кубітів нейтральних атомів і виконали з ними квантові обчислення та виправлення помилок. А цього місяця команда з Каліфорнійського технологічного інституту повідомляє що вони створили масив із 6,100 атомних кубітів. Такі результати все більше перемагають тих, хто звертається до цього підходу.

«Десять років тому я б не включив ці [нейтральні атоми] методи, якби страхувався від майбутнього квантових обчислень», — сказав Ендрю Стін, теоретик квантової інформації в Оксфордському університеті. «Це було б помилкою».

Битва Кубітів

Ключовим питанням у змаганні між типами кубітів є те, як довго кожен тип кубітів може зберігати свою суперпозицію, перш ніж він буде змінений деякими випадковими (наприклад, тепловими) флуктуаціями. Для надпровідних кубітів, таких як IBM і Google, цей «час когерентності» зазвичай становить близько мілісекунди в кращому випадку. Усі кроки квантового обчислення мають відбуватися протягом цього періоду часу.

Однією з переваг кодування інформації про стани окремих атомів є те, що їхній час когерентності зазвичай значно довший. Крім того, на відміну від надпровідних ланцюгів, усі атоми певного типу є ідентичними, тому не потрібні індивідуальні системи керування для введення та маніпулювання тонко різними квантовими станами.

І в той час як проводка, яка використовується для з’єднання надпровідних кубітів у квантові схеми, може стати жахливо складною — ще більше, оскільки система збільшується — у випадку з атомами проводка не потрібна. Все обплітання відбувається за допомогою лазерного світла.

Ця перевага спочатку була проблемою. Існує добре розроблена технологія для створення складних мікроелектронних схем і проводів, і одна ймовірна причина того, чому IBM і Google спочатку інвестували в надпровідні кубіти, полягає не в тому, що вони, очевидно, були найкращими, а тому, що вони вимагали схеми, до якої звикли такі компанії, сказав Стюарт Адамс, фізик із Даремського університету у Великобританії, який працює над квантовими обчисленнями на нейтральних атомах. «Лазерна атомна оптика виглядала їм абсолютно незнайомою. Вся техніка зовсім інша».

Кубітами, що складаються з електрично заряджених атомів — відомих як іони — також можна керувати світлом, і іони довго вважалися кращими кандидатами на кубіти, ніж нейтральні атоми. Через їх заряд іони відносно легко захопити в електричних полях. Дослідники створили іонні пастки, підвішуючи іони в крихітній вакуумній порожнині при наднизьких температурах (щоб уникнути теплового коливання), тоді як лазерні промені перемикають їх між різними енергетичними станами для маніпулювання інформацією. Було продемонстровано квантові комп’ютери з іонною пасткою з десятками кубітів, і кілька стартапів розробляють технологію для комерціалізації. «Поки що системою з найвищою продуктивністю з точки зору точності, контролю та когерентності були захоплені іони», — сказав Саффман.

Вловити нейтральні атоми важче, оскільки немає заряду, який можна було б утримати. Замість цього атоми знерухомлені в полях інтенсивного світла, створюваних лазерними променями, які називаються оптичними пінцетами. Атоми зазвичай вважають за краще сидіти там, де світлове поле найбільш інтенсивне.

І є проблема з іонами: усі вони мають електричний заряд однакового знаку. Це означає, що кубіти відштовхуються один від одного. Застрягти багато з них в тому самому маленькому просторі стає важче, чим більше там іонів. З нейтральними атомами такого напруження немає. Дослідники кажуть, що це робить кубіти з нейтральними атомами набагато більш масштабованими.

Більше того, захоплені іони розташовані в ряд (або, нещодавно, петля “іподром”). Ця конфігурація ускладнює переплутування одного іонного кубіта з іншим, який знаходиться, скажімо, в 20 місцях уздовж ряду. «Іонні пастки за своєю суттю одновимірні», — сказав Адамс. «Ви повинні розташувати їх у лінію, і дуже важко зрозуміти, як таким чином отримати тисячу кубітів».

Масиви нейтральних атомів можуть являти собою двовимірну сітку, яку набагато легше масштабувати. «Ви можете розмістити багато в одній системі, і вони не взаємодіють, коли ви цього не хочете», — сказав Саффман. Його група та інші затримали таким чином понад 1,000 нейтральних атомів. «Ми віримо, що можемо упакувати десятки або навіть сотні тисяч у пристрій сантиметрового масштабу», — сказав він.

Дійсно, у своїй недавній роботі команда з Каліфорнійського технологічного інституту створила масив оптичних пінцетів із приблизно 6,100 нейтральних атомів цезію, хоча вони ще не виконували з ними жодних квантових обчислень. Ці кубіти також мали час когерентності колосальних 12.6 секунд, що є рекордом для цього типу кубітів.

Рідбергська блокада

Щоб два або більше кубітів заплуталися, вони повинні взаємодіяти один з одним. Нейтральні атоми «відчувають» присутність один одного через так звані сили Ван-дер-Ваальса, які виникають через те, як один атом реагує на флуктуації в хмарі електронів іншого атома поблизу. Але ці слабкі сили відчуваються лише тоді, коли атоми знаходяться дуже близько один до одного. Маніпулювати нормальними атомами з необхідною точністю за допомогою світлових полів просто неможливо.

Як зазначили Лукін та його колеги у своїй початковій пропозиції ще в 2000 році, відстань взаємодії може бути значно збільшена, якщо ми збільшимо розмір самих атомів. Чим більше енергії має електрон, тим далі він прагне відійти від атомного ядра. Якщо лазер використовувати для перекачування електрона в енергетичний стан, набагато більший за той, який зазвичай зустрічається в атомах — званий Рідбергівським станом на честь шведського фізика Йоганнеса Рідберга, який у 1880-х роках досліджував, як атоми випромінюють світло на дискретних довжинах хвиль — електрон може блукати в тисячі разів далі від ядра, ніж зазвичай.

Таке збільшення розміру дає змогу двом атомам, розташованим на відстані кількох мікрометрів один від одного, що цілком можливо в оптичних пастках, взаємодіяти.

Щоб реалізувати квантовий алгоритм, дослідники спочатку кодують квантову інформацію в парі рівнів атомної енергії, використовуючи лазери для перемикання електронів між рівнями. Потім вони заплутують стани атомів, вмикаючи рідбергівські взаємодії між ними. Даний атом може бути збуджений до рідбергівського стану чи ні, залежно від того, на якому з двох енергетичних рівнів знаходиться його електрон — лише один із них має правильну енергію, щоб резонувати з частотою збуджуючого лазера. І якщо атом в даний момент взаємодіє з іншим, ця частота збудження трохи зміщується, так що електрон не буде резонувати зі світлом і не зможе зробити стрибок. Це означає, що тільки один або інший з пари взаємодіючих атомів може підтримувати стан Рідберга в будь-який момент; їхні квантові стани корельовані — або, іншими словами, переплутані. Це так звана Рідбергська блокада, по-перше запропонований Лукіним та його колегами в 2001 році як спосіб обплутування кубітів атомів Рідберга, є ефект «все або нічого»: або є блокада Рідберга, або її немає. «Блокада Рідберга робить взаємодії між атомами цифровими», — сказав Лукін.

Наприкінці обчислення лазери зчитують стани атомів: якщо атом знаходиться в стані, який резонує з освітленням, світло розсіюється, але якщо він в іншому стані, розсіювання не відбувається.

У 2004 році команда в університеті Коннектикуту продемонстрований блокада Рідберга між атомами рубідію, захопленими та охолодженими лише до 100 мікрокельвінів вище абсолютного нуля. Вони охолоджували атоми за допомогою лазерів, щоб «висмоктувати» теплову енергію атомів. Цей підхід означає, що, на відміну від надпровідних кубітів, нейтральні атоми не потребують кріогенного охолодження та громіздких холодоагентів. Тому ці системи можна зробити дуже компактними. «Прилад в цілому має кімнатну температуру», — сказав Саффман. «На відстані одного сантиметра від цих надхолодних атомів ви маєте вікно кімнатної температури».

У 2010 році Саффман і його співробітники повідомляє перший логічний вентиль — фундаментальний елемент комп’ютерів, у якому один або більше двійкових вхідних сигналів генерують певний двійковий вихід — виготовлений із двох атомів за допомогою блокади Рідберга. Потім, що важливо, у 2016 році команда Лукіна та дослідницькі групи у Франції та Південній Кореї самостійно зрозумів як завантажувати багато нейтральних атомів в масиви оптичних пасток і переміщайте їх за бажанням. «Це нововведення принесло нове життя цій сфері», — сказав він Штефан Дюрр з Інституту квантової оптики Макса Планка в Гархінге, Німеччина, який використовує атоми Рідберга для експериментів із квантової обробки інформації на основі світла.

Більшість робіт поки що використовує атоми рубідію та цезію, але фіз Джефф Томпсон в Прінстонському університеті надає перевагу кодуванню інформації в ядерних спінових станах атомів металів, таких як стронцій та ітербій, які мають навіть довший час когерентності. У жовтні минулого року Томпсон і його колеги повідомляє двокубітові логічні вентилі, виготовлені з цих систем.

І блокади Рідберга не обов’язково повинні бути між самотніми атомами. Минулого літа Адамс і його колеги показав що вони можуть створити блокаду Рідберга між атомом і захопленою молекулою, яку вони створили штучно, використовуючи оптичний пінцет, щоб підтягнути атом цезію до атома рубідію. Перевага гібридних атомно-молекулярних систем полягає в тому, що атоми та молекули мають дуже різні енергії, що може полегшити маніпулювання одними, не впливаючи на інші. Більше того, молекулярні кубіти можуть мати дуже тривалий час когерентності. Адамс наголошує, що такі гібридні системи щонайменше на 10 років відстають від повністю атомних систем, і сплутаність двох таких кубітів ще не досягнута. «Гібридні системи справді складні, — сказав Томпсон, — але ми, ймовірно, колись будемо змушені їх використовувати».

Кубіти високої точності

Жоден кубіт не є ідеальним: у всіх можуть бути помилки. І якщо вони залишаються непоміченими та невиправленими, вони шифрують результат обчислення.

Але великою перешкодою для всіх квантових обчислень є те, що помилки не можна ідентифікувати та виправляти так, як це відбувається у класичних комп’ютерах, де алгоритм просто відстежує, в якому стані знаходяться біти, роблячи копії. Ключ до квантових обчислень полягає в тому, що стани кубітів залишаються невизначеними, доки не буде зчитано остаточний результат. Якщо ви спробуєте виміряти ці стани до цієї точки, ви завершите обчислення. Як тоді можна захистити кубіти від помилок, які ми навіть не можемо контролювати?

Одна з відповідей полягає в тому, щоб поширити інформацію на багато фізичних кубітів, які становлять один «логічний кубіт», щоб помилка в одному з них не пошкодила інформацію, яку вони спільно кодують. Це стає практичним, лише якщо кількість фізичних кубітів, необхідних для кожного логічного кубіта, не надто велика. Ці накладні витрати частково залежать від того, який алгоритм виправлення помилок використовується.

Логічні кубіти з виправленням помилок були продемонстровані з надпровідними кубітами та кубітами із захопленими іонами, але донедавна було незрозуміло, чи можна їх створювати з нейтральних атомів. Це змінилося в грудні, коли команда з Гарварду оприлюднила масиви з кількох сотень захоплених атомів рубідію та запустила алгоритми на 48 логічних кубітах, кожен з яких складається з семи або восьми фізичних атомів. Дослідники використовували цю систему для виконання простої логічної операції під назвою контрольований НЕ-шлюз, у якій стани 1 і 0 кубіта перевертаються або залишаються незмінними залежно від стану другого «контрольного» кубіта. Щоб провести обчислення, дослідники перемістили атоми між трьома різними областями в камері захоплення: масивом атомів, областю взаємодії (або «зоною воріт»), куди певні атоми перетягувалися та заплутувалися за допомогою блокади Рідберга, і зоною зчитування. . Все це стало можливим, сказав Адамс, тому що «система Рідберга пропонує вам всю цю можливість перемішувати кубіти та вирішувати, хто з ким взаємодіє, що дає вам гнучкість, якої немає у надпровідних кубітів».

Команда Гарварду продемонструвала методи виправлення помилок для деяких простих алгоритмів логічних кубітів, хоча для найбільших з них, з 48 логічними кубітами, вони лише досягли виявлення помилок. За словами Томпсона, ці останні експерименти показали, що «вони можуть переважно відхиляти результати вимірювання з помилками і, отже, ідентифікувати підмножину результатів з меншими помилками». Цей підхід називається пост-відбором, і хоча він може відігравати роль у квантовій корекції помилок, сам по собі він не вирішує проблему.

Атоми Рідберга можуть піддатися новим кодам для виправлення помилок. Той, який використовується в Гарвардській роботі, називається поверхневим кодом, «дуже популярний, але також дуже неефективний», сказав Саффман; як правило, для створення одного логічного кубіта потрібно багато фізичних кубітів. Інші, більш ефективні пропоновані коди виправлення помилок вимагають взаємодії між кубітами більшого діапазону, а не лише поєднання найближчих сусідів. Практикуючі квантові обчислення з нейтральними атомами вважають, що дальні взаємодії Рідберга повинні впоратися з цим завданням. «Я дуже оптимістично налаштований, що експерименти протягом наступних двох-трьох років покажуть нам, що накладні витрати не повинні бути такими поганими, як люди думали», — сказав Лукін.

Хоча ще багато чого потрібно зробити, Стін вважає роботу Гарварду «кроковою зміною в тому, якою мірою протоколи виправлення помилок були реалізовані в лабораторії».

Спінінг

Подібні досягнення дозволяють кубітам Рідберга програвати навіть своїм конкурентам. «Поєднання високоточних вентилів, великої кількості кубітів, високоточних вимірювань і гнучкого зв’язку дозволяє нам вважати масив Рідберга реальним конкурентом надпровідних кубітів і кубітів із захопленими іонами», — сказав Стін.

Порівняно з надпровідними кубітами, технологія коштує незначно дешевше. Гарвардська група має додаткову компанію під назвою QuEra, яка вже створила 256-кубітний квантовий процесор Rydberg під назвою Орел — аналоговий «квантовий симулятор», який може запускати моделювання системи багатьох квантових частинок — доступний у хмарі в партнерстві з платформою квантових обчислень Amazon Braket. QuEra також працює над вдосконаленням квантової корекції помилок.

Саффман приєднався до компанії під назвою флексія, яка розробляє оптичну платформу з нейтральним атомом для квантових датчиків і комунікацій, а також квантових обчислень. «Я не здивуюся, якщо незабаром одна з великих ІТ-компаній укладе якесь партнерство з одним із цих підрозділів», — сказав Адамс.

«Виконання масштабованого виправлення помилок за допомогою кубітів з нейтральними атомами безумовно можливо», — сказав Томпсон. «Я думаю, що 10,000 XNUMX кубітів з нейтральними атомами цілком можливе протягом кількох років». Крім того, він вважає, що знадобляться практичні обмеження потужності та роздільної здатності лазера модульні конструкції в якому кілька окремих масивів атомів з’єднані разом.

Якщо це станеться, хто знає, що з цього вийде? «Ми ще навіть не знаємо, що ми можемо зробити з квантовими обчисленнями», — сказав Лукін. «Я дуже сподіваюся, що ці нові досягнення допоможуть нам відповісти на ці запитання».