Programovatelné ionty nastavují pódium pro univerzální kvantové počítače

Calling All Cars: Cop Killer / Murder Throat Cut / Drive 'Em Off the Dock (Březen 2019).

Anonim

Kvantové počítače slibují rychlé řešení některých obtížných problémů, ale budování rozsáhlých univerzálních kvantových zařízení je problémem plným technických výzev.

K dnešnímu dni mnoho výzkumných skupin vytvořilo malé, ale funkční kvantové počítače. Spojením hrstky atomů, elektronů nebo supravodivých křižovatek nyní výzkumníci pravidelně demonstrují kvantové efekty a provozují jednoduché kvantové algoritmy - malé programy určené k řešení konkrétních problémů.

Ale tato laboratorní zařízení jsou často pevně zapojená do chodu jednoho programu nebo omezena na pevné vzory interakcí mezi kvantovými složkami. Vytvoření kvantového počítače, který může spustit libovolné algoritmy, vyžaduje správný druh fyzického systému a sadu programovacích nástrojů. Atomové ionty, omezené polí z nedalekých elektrod, patří k nejslibnějším platformám pro uspokojení těchto potřeb.

V článku publikovaném jako příběh příběhu v přírodě dne 4. srpna, výzkumníci pracující s Christopherem Monroeem, členem Společného kvantového institutu a Společným centrem pro kvantovou informatiku a informatiku na univerzitě v Marylandu, představili první plně programovatelné a rekonfigurovatelné kvantový počítačový modul. Nové zařízení, pojmenované jako modul kvůli jeho potenciálu spojit se s vlastními kopiemi, využívá jedinečných vlastností nabízených zachycenými ionty k tomu, aby spustili jakýkoli algoritmus na pěti kvantových bitech nebo qubits - základní jednotku informací v kvantovém počítači.

"Aby byl každý počítač užitečný, uživatel by neměl být nucen vědět, co je uvnitř, " říká Monroe. "Velmi málo lidí záleží na tom, co vlastně dělá jejich iPhone na fyzické úrovni. Náš experiment přináší vysoce kvalitní kvantové kousky až na vyšší úroveň funkčnosti tím, že jim umožní naprogramovat a přeměnit v softwaru."

Nový modul vychází z desetiletí výzkumu zaměřeného na zachycování a kontrolu iontů. Používá standardní techniky, ale také zavádí nové metody kontroly a měření. To zahrnuje manipulaci s mnoha ionty najednou pomocí řady pevně zaostřených laserových paprsků a také vyhrazených detekčních kanálů, které sledují záře každého iontu.

"Jedná se o druhy objevů, které Program NSF Fyzikálních hranic umožňuje, " říká Jean Cottam Allen, programový ředitel divize fyziky National Science Foundation. "Tato práce je na hranici kvantové výpočetní techniky a pomáhá položit základy a přiblížit praktické kvantové výpočty realitě."

Tým testoval svůj modul na malých případech tří problémů, o kterých je známo, že kvantové počítače rychle vyřeší. Flexibilita testování modulu na různé problémy je důležitým krokem vpřed, říká Shantanu Debnath, absolventka JQI a ​​vedoucí autorka práce. "Tím, že přímo propojíme libovolný pár qubits, můžeme rekonfigurovat systém pro implementaci libovolného algoritmu, " říká Debnath. "I když je to jen pět qubits, víme, jak použít stejnou techniku ​​pro mnohem větší sbírky."

Na srdci modulu je však něco, co není ani kvantové: Databáze uchovává nejlepší tvary laserových impulzů, které řídí kvantová logická brána, základní kameny kvantových algoritmů. Tyto tvary se předem vypočítají pomocí běžného počítače a modul používá software k překladu algoritmu do impulzů v databázi.

Uložte kusy dohromady

Každý kvantový algoritmus se skládá ze tří základních složek. Za prvé, qubits jsou připraveny v určitém stavu; za druhé, podstoupí sekvenci kvantových logických bran; a nakonec kvantové měření extrahuje výstup algoritmu.

Modul tyto úkoly provádí pomocí různých barev laserového světla. Jedna barva připravuje ionty technikou nazývanou optické čerpání, v níž je každá kvítka osvětlena, dokud se nenachází ve správném kvantovém energetickém stavu. Stejný laser pomáhá číst kvantový stav každého atomového iontu na konci procesu. Mezitím, samostatný laser narazí na ionty k pohonu kvantové logické brány.

Tyto brány jsou jako přepínače a tranzistory, které napájejí obyčejné počítače. Zde lasery tlačí na ionty a spojují své interní qubitové informace s jejich pohybem, což umožňuje, aby jakékoli dva ionty v modulu vzájemně reagovaly silným elektrickým odpuzováním. Dva ionty napříč řetězem si navzájem oznamují tuto elektrickou interakci, stejně jako zvedání a uvolnění jedné koule v Newtonově kolébce přenáší energii na druhou stranu.

Přepracovatelnost laserových paprsků je klíčovou výhodou, říká Debnath. "Tím, že redukujeme algoritmus na řadu laserových impulzů, které tlačí na vhodné ionty, můžeme znovu konfigurovat propojení mezi těmito qubity zvenčí, " říká. "Stává se problémem se softwarem a žádná jiná kvantová architektura nemá tuto flexibilitu."

Pro testování modulu probíhaly tři různé kvantové algoritmy včetně demonstrace kvantové Fourierovy transformace (QFT), která zjistila, jak často se daná matematická funkce opakuje. Jedná se o klíčovou část algoritmu Shorova kvantového faktoringu, který by narukoval některé z nejpoužívanějších bezpečnostních standardů na internetu, pokud by byl provozován na dostatečně velkém kvantovém počítači.

Dva z algoritmů úspěšně proběhly více než 90% času, zatímco QFT skončil s úspěšností 70%. Tým říká, že je to kvůli zbytkovým chybám v impulsních bránách, jakož i systematickým chybám, které se hromadí v průběhu výpočtu, aniž by se zdálo, že jsou zásadně nepřekonatelné. Všimnou si, že algoritmus QFT vyžaduje všechny možné dvoubodové brány a měl by být jedním z nejkomplikovanějších kvantových výpočtů.

Tým se domnívá, že nakonec může být do svého kvantového počítačového modulu přidáno více qubitů - možná až 100. Je také možné propojit jednotlivé moduly dohromady, a to buď fyzickým přesunem iontů, nebo použitím fotonů pro přenos informací mezi nimi.

Přestože modul má pouze pět qubits, jeho flexibilita umožňuje programování kvantových algoritmů, které ještě nikdy nebyly spuštěny, říká Debnath. Vědci nyní hledají běh algoritmů na modulu s více qubits, včetně demonstrace rutin pro korekci kvantové chyby jako součást projektu financovaného aktivitou Inteligence Advanced Research Projects.

menu
menu