Kvantecomputing Et skridt tættere på virkeligheden ved at udnytte harmoniske oscillatorer

Kvæntcomputerkapløbet har været hedt i et par år nu, med lægemiddelforskning, materialvidenskab, optimering, maskinlæring og kryptografi som blot nogle af de områder, der vil blive revolutioneret af dets fremskridt.

Men på trods af alle fremskridtene er opbygning af kvantecomputere, der kan løse virkelige problemer, blevet hæmmet af tre store udfordringer: 

• Sårbare kvantetilstande
• Skalering samtidig med at kontrollen bevares
• Bevare koherens

Nu har et team ved Chalmers University of Technology i Sverige taget et betydeligt skridt i retning af at tackle disse udfordringer og accelerere udviklingen af praktiske kvantecomputere. De publicerede for nylig en ny metode i tidsskriftet Nature for at manipulere kvanteinformation ved hjælp af justerbar ikke-linearitet i superledende kredsløb. Dette muliggør komplekse operationer på multidimensionale kvantetilstande, som kan udføres hurtigere og mere præcist end nogensinde før.

Opbygning af praktiske kvantecomputere

Kernen i kvantecomputing er den kvantebit, eller qubit, den grundlæggende enhed for kvanteinformation. I modsætning til klassiske bits, som enten er 0 eller 1, kan qubits være både 0 og 1 og alt derimellem. Qubits kan også blive sammenfiltrede med hinanden, hvilket gør det muligt for kvantecomputere at udføre visse beregninger meget hurtigere end klassiske computere. 

Dog har det været en betydelig udfordring at opnå denne kapacitet. Et af de største problemer er skrøbeligheden af kvantetilstande. Qubits er følsomme over for deres miljø og mister hurtigt deres kvanteegenskaber gennem decoherence, hvilket introducerer fejl i den kvanteberegning og begrænser dybden af beregninger.

Et andet stort problem er skalering. Når flere qubits tilføjes til en kvanteprocessor, bliver det sværere at kontrollere interaktionerne mellem dem og at implementere kvanteporte. Dette skyldes, at kontrolsystemerne og krydstale mellem qubits bliver mere komplekse.

Og der er en afvejning mellem koherens og kontrolmulighed. Teknikker, der gør qubits mere koherente, såsom fejlkorrigeringskoder, kræver flere ressourcer og begrænser nogle operationer. Systemer, der har mere kontrol over individuelle qubits, som fangede ioner eller superledende kredsløb, er støjende og mere tilbøjelige til decoherence.

“Tænk på en qubit som en blå lampe, der kvantemekanisk kan være både tændt og slukket samtidigt. I kontrast er et kontinuert variabelt kvantesystem som en uendelig regnbue, der tilbyder en sømløs farvegradient. Dette illustrerer dets evne til at tilgå et enormt antal tilstande, hvilket giver langt rigere muligheder end qubitens to tilstande.”

– Axel Eriksson, forsker i kvanteteknologi ved Chalmers University of Technology og hovedforfatter af studiet

Klik her for at lære om den aktuelle tilstand af kvantecomputing. 

Justerbare ikke-lineariteter i superledende kredsløb

Chalmers University-teamet, ledet af Dr. Axel M. Eriksson og Simone Gasparinetti, har løst disse problemer ved at bruge superledende kredsløb. De har udviklet en særlig komponent kaldet en Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator.
SNAILs er superledende kredsløbselementer med stærk, justerbar ikke-linearitet. Det er en superledende løkke med Josephson-koblinger, tynde isolerende barrierer, der tillader Cooper-par (bundne elektronpar) at tunnelere igennem. Ved at arrangere koblingerne asymmetrisk har de lavet et kredsløbselement med ikke-lineær induktans.

“Vi har lavet et system, der udfører komplekse operationer på et fler-tilstands kvantesystem hurtigere end nogensinde før.”

– Seniorforfatter Dr. Simone Gasparinetti, leder af 202Q-lab ved Chalmers University

Det vigtigste, som Chalmers-teamet gjorde, var at placere en SNAIL-resonator inde i en superledende mikrobølgekavitet, som er en bosonisk tilstand til kodning af kvanteinformation. De påførte mikrobølgestråler til dette hybride system og aktiverede og deaktiverede ikke-lineariteten i SNAIL for at udføre alle slags kvanteoperationer hurtigt og præcist.

Kontinuerlig variabel kvantecomputing

En af de unikke ting ved Chalmers-teamets tilgang er, at den går ud over qubit-paradigmet og bruger kontinuert-variabel (CV) kvantetilstande.

I et CV kvantesystem er information kodet i amplitude- og fasekvadraturerne af en harmonisk oscillator, som et mikrobølgekavitetfelt. Disse kvadraturer kan antage et kontinuert værdierække, ikke kun 0 og 1 som qubits.

Ifølge seniorforfatter Dr. Simone Gasparinetti, leder af 202Q-lab ved Chalmers University:

“Vi har skabt et system, der muliggør ekstremt komplekse operationer på et fler-tilstands kvantesystem, med en hidtil uset hastighed.”

CV-tilgangen har fordele i forhold til diskret-variabel kvantecomputing.

(i) For det første kan en enkelt CV-tilstand kode information svarende til flere qubits, hvilket betyder mindre hardware til fejl-tolerant kvantecomputing.
(ii) For det andet giver den kontinuerlige natur af CV-tilstande mulighed for bedre fejlkorrigeringskoder, som er nødvendige for kvantecomputing med støj og decoherence.

Dog er et stort problem i CV kvantecomputing de ikke-gaussiske operationer, som er nødvendige for universel kvantecomputing. Gaussiske operationer som forskydning og komprimering af oscillatorens tilstand kan udføres med lineære optiske elementer eller mikrobølgekredsløb, men det er ikke nok til kvantehastighedsforøgelse, da det kan simuleres klassisk.

Ikke-gaussiske operationer kræver ikke-lineære interaktioner, som er meget sværere at fremstille og kontrollere. Tidligere forsøg på at kombinere CV-tilstande med ikke-lineære elementer er blevet hindret af Kerr-effekten, som forstyrrer kvanteinformationen og reducerer operationens pålidelighed.

Chalmers-teamet har løst dette ved at konstruere ikke-lineariteten inde i SNAIL-resonatoren. De driver SNAIL ved et såkaldt “Kerr-frit” punkt, hvor den uønskede Kerr-ikke-linearitet undertrykkes, og den tredjeordens ikke-linearitet, som er nødvendig for ikke-gaussiske operationer, bevares.

“Vores fællesskab har ofte forsøgt at holde superledende elementer væk fra kvanteoscillatorer for ikke at forstyrre de skrøbelige kvantetilstande. I dette arbejde har vi udfordret dette paradigme. Ved at indlejre en styringsenhed i hjertet af oscillatorens har vi kunnet undgå at forstyrre de mange kvantetilstande, samtidig med at vi kan kontrollere og manipulere dem. Som resultat demonstrerede vi et nyt sæt gate-operationer udført med meget høj hastighed.”

– Simone Gasparinetti

Et universelt gate-sæt

For at vise, hvad de kan, har de lavet et universelt gate-sæt på deres SNAIL-resonator platform. Det inkluderer gaussiske porte som forskydning og komprimering samt en kubisk fasegate, som er ikke-gaussisk.

De gaussiske porte blev lavet ved at påføre mikrobølgestråler ved specifikke frekvenser til SNAIL-kredsløbet. Kørsel ved grundfrekvensen giver forskydning, og kørsel ved dobbelt grundfrekvensen giver komprimering. Det er til forberedelse og manipulation af koherente og komprimerede tilstande, som er byggestenene for CV kvanteinformationsbehandling.

Den kubiske fasegate blev lavet ved at kombinere en “triskomprimerings”-interaktion (kørsel ved tre gange grundfrekvensen) med drivere ved lavere frekvenser. Det påfører et ikke-lineært faseforskydning på oscillatorens tilstand, som er proportional med amplitudens kubik, deraf navnet “kubisk fase”.

Den kubiske fasegate er nødvendig for universel CV kvantecomputing, fordi den skaber stærkt ikke-klassiske tilstande som Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) tilstande, som er til fejl-tolerant kvantefejlkorrigering. Den kubiske fasegate sammen med gaussiske porte laver en deterministisk ikke-gaussisk tilstand kaldet “kubisk fase tilstand”.

Portene lavet af Chalmers-teamet blev udført med pulser så korte som tiere af nanosekunder. Det er 10-100 gange hurtigere end tidligere implementeringer med dispersive qubit-oscillator koblinger. Det skyldes den stærke ikke-linearitet i SNAIL-resonatoren.

Deterministisk forberedelse af kubisk fase tilstand

Et andet eksempel er, at Chalmers-teamet bruger deres universelle gate-sæt til at skabe en stærkt ikke-klassisk kvantetilstand kaldet en kubisk fase tilstand. Kubiske fase tilstande er nødvendige for kvantefejlkorrigering, kvantemetrologi og CV målebaseret kvantecomputing.

Forberedelsen af den kubiske fase tilstand blev udført ved at anvende porte på grundtilstanden (vakuum) af SNAIL-resonatoren. Først blev en 20-ns komprimeringsgate anvendt for at skabe en komprimeret vakuumtilstand. Derefter blev en 40-ns kubisk fasegate anvendt på den komprimerede tilstand, og voilà, en kubisk fase tilstand med en kubicitet på 0,11.

Tilstanden blev karakteriseret med Wigner-tomografi, som laver en fase-rum fordeling af kvantetilstanden. Wigner-funktionen var stærkt negativ, hvilket er ikke-klassisk og kan ikke ses i nogen klassisk oscillator-tilstand.

Fideliteten af den kubiske fase tilstand i forhold til målt tilstand var 92%. De viste, at kubiciteten af tilstanden kan øges ved blot at forlænge varigheden af den kubiske fasegate. Det er meget bedre end tidligere tilstandsforberedelsesmetoder, som krævede en fuld re-optimisering af kontrolsekvensen for hver kubicitetværdi.

Rum for forbedring og fremtidigt arbejde

Selvom det, som Chalmers-teamet har gjort, allerede er prisværdigt, er der stadig mere at gøre:

SNAIL-resonator

En begrænsning af kvanteoperationerne er koherenstiden for SNAIL-resonatoren. De har koherenstider på nogle få mikrosekunder, hvilket er tilstrækkeligt for nu, men længere koherenstider vil muliggøre mere komplekse og dybere kvantekredsløb. Optimering af SNAIL-kredsløbets parametre for at reducere fluxstøj samt afskærmning og filtrering af mikrobølge-miljøet er måder at forbedre koherens på.

Dette inkluderer:

• Koherenstid for SNAIL-resonatoren (nogle få mikrosekunder er tilstrækkeligt for nu, men længere vil muliggøre mere komplekse kredsløb)
• Optimering af SNAIL-kredsløbets parametre for at reducere fluxstøj
• Afskærmning og filtrering af mikrobølge-miljøet

Klik her for at lære, hvordan kvanteudsendere og infrarøde lasere kan hjælpe os med at bygge den næste generation af kvantecomputere.

Skalerbarhed

Et andet område, der kan forbedres, er skalerbarhed. Eksperimentet blev udført med én SNAIL, men en stor-skala kvantecomputer har brug for flere SNAILs. For at skalere op kan man bruge flere SNAILs, hver forbundet til sin egen mikrobølgekavitet. Dette setup muliggør oprettelse af multi-qubit porte og sammenfiltrede tilstande ved at designe koblingen mellem kaviterne. Dog kræver det kontrol over fremstillingen og justeringen af SNAILs for at være homogene og reproducerbare.

• Skalerbarhed (én SNAIL nu, men en stor-skala kvantecomputer har brug for flere)
• Et array af SNAILs, hver med sin egen mikrobølgekavitet
• Multi-qubit porte og sammenfiltrede tilstande på tværs af arrayet ved kobling mellem kaviter
• Kontrol over fremstilling og justering af SNAILs for at være homogene og reproducerbare

Udover at skalere antallet af CV-tilstande, skal vi også skalere antallet af fotoner i hver tilstand. SNAIL-resonatorens ikke-linearitet afviger fra sin ideelle opførsel ved højere fotonantal, hvilket begrænser størrelsen af det beregningsmæssige Hilbert-rum.

En måde at løse dette på er at bruge et multi-SNAIL design, hvor hver SNAILs ikke-linearitet er konstrueret til at ophæve hinanden på højere ordener, mens de lavere ordens interaktioner bevares.

Andre mulige fremskridt inkluderer:

• Flere CV-tilstande
• Flere fotoner i hver tilstand
• Ikke-lineariteten i SNAIL-resonatoren får den til at afvige fra ideel opførsel ved højere fotonantal
• Begrænser størrelsen af det beregningsmæssige Hilbert-rum
• Multi-SNAIL design: hver SNAILs ikke-linearitet ophæver sig på højere ordener, mens lavere ordens interaktioner bevares

Fremadrettet ønsker Chalmers-teamet at integrere deres SNAIL-resonator platform med andre kvantecomputing-arkitekturer for at skabe hybride systemer. For eksempel kan SNAIL-medigierede interaktioner bruges til at sammenfiltre superledende qubits og CV-tilstande for at skabe komplekse multi-qubit tilstande. De hurtige og effektive CV-porte i dette arbejde kan bruges til kvantefejlkorrigering på kodede qubits, og det vil gøre kvanteprocessorer mere robuste og skalerbare.
Et spændende udsyn er at integrere SNAIL-resonator platformen med optiske kvantesystemer. Superledende kredsløb er gode til kvantecomputing, som opererer ved mikrobølgefrekvenser og kryogene temperaturer, er gode til kvantecomputing. I kontrast er optiske kvantesystemer, som fungerer ved stuetemperatur, ideelle til langdistanceteknologi for kvantekommunikation. Ved at udvikle en kvantefrekvenskonverter kan vi kombinere det bedste fra begge verdener for at skabe en skalerbar og netværksbaseret kvantecomputer.

Afslutning

Det, som Chalmers-teamet har opnået, er et stort skridt fremad for praktiske kvantecomputere. De har brugt justerbar ikke-linearitet i superledende kredsløb til at udvikle en hardware-effektiv og kontrollerbar kvantecomputer, som kan udføre komplekse operationer på multidimensionale kvantetilstande hurtigt og præcist.

Dette repræsenterer et nyt paradigme inden for CV-NISQ computing. SNAIL-resonatorer kan løse svære problemer inden for kvantekemi, optimering og maskinlæring. Efterhånden som denne teknologi modnes og skaleres, vil den åbne for anvendelser, som ikke er mulige med klassiske computere.

Dog udgør opbygning af stor-skala, fejl-tolerante kvantecomputere stadig betydelige udfordringer, herunder koherenstiden for superledende kredsløb, antallet af qubits og CV-tilstande samt grænseflader mellem kvantecomputing-platforme.

På trods af disse udfordringer har kvantecomputing som anvendt videnskab gjort store fremskridt, og Chalmers-teamet har spillet en afgørende rolle i at skubbe dens grænser. De har tilføjet til kvantecomputing-værktøjskassen og vist os nye måder at bruge kvantemekanik på. Nu er vi et skridt tættere på tilgængelig kvantecomputing.

Efterhånden som teori og eksperimenter skrider frem hurtigere, har fremtiden for kvantecomputing aldrig set bedre ud. Kvantecomputere vil levere eksponentielle hastighedsforøgelser for en bred vifte af beregningsopgaver inden for områder som lægemiddelforskning, materialedesign, kryptografi og kunstig intelligens. Kombineret med fremskridt inden for teknologier som AI, sikrer disse udviklinger os, at verden er på tærsklen til transformative forandringer, som er svære at forestille sig fuldt ud.

Klik her for en liste over de fem bedste kvantecomputing-virksomheder.