Forstå Qubits – Gennembrud inden for teleportation og kontrolleret interaktion

Der sker meget i kvantecomputingens verden. Chipgiganten Nvidia har lanceret en open-source CUDA‑Q‑platform for at accelerere kvantecomputing‑indsatsen, mens Kina har skabt deres største kvantecomputing‑chip. Derudover er der forskere ved University of Manchester, som har udviklet ultrarenrent silicium, der baner vejen for næste generations computere.

Al denne begejstring og udvikling omkring kvantecomputere giver mening, da teknologien har enormt potentiale på tværs af forskellige områder, herunder kryptografi, lægemiddelforskning, løsning af komplekse optimeringsproblemer, forbedring af maskinlæringsalgoritmer og meget mere.

Kvantecomputere kan opnå alt dette ved at udnytte kvanteteori, som beskriver stoffets og energiens opførsel på atomart og endnu mindre subatomart niveau. Kvantecomputing bruger subatomare partikler som fotoner og elektroner. Qubits (kvantebits) gør det muligt for disse partikler at eksistere i flere tilstande samtidigt og manipuleres af kontrolenheder.

For at håndtere eksponentielt hurtigere hastigheder end din traditionelle computer samtidig med at de bruger mindre energi, anvender kvantecomputere superposition og sammenfiltring.

Superposition indebærer at kombinere to eller flere kvantetilstande for at skabe endnu en gyldig kvantetilstand. Superpositionen af qubits gør det muligt for kvantecomputere at behandle millioner af operationer samtidigt.

Sammenfiltring opstår, når to systemer er forbundet, så kendskab til den ene systems tilstand giver øjeblikkelig viden om den anden. Dette gør det muligt for kvantecomputere at løse komplekse problemer hurtigt.

Problemet her er decoherence, som er tabet af kvantetilstanden i en qubit på grund af faktorer som stråling, vibration eller temperaturændring. Dette forårsager fejl i beregningerne. For at beskytte qubits mod interferens placeres de i vakuumkamre, isolering og superkølede køleskabe.

Som vi har set, spiller qubits en kritisk rolle i at gøre kvantecomputing muligt, men ikke alt er kendt om dem. Dog har to nylige uafhængige eksperimenter udvidet vores forståelse af qubits, hvilket markerer et vigtigt skridt mod at bygge en funktionel kvantecomputer.

Kvante‑teleportation opnået

Ny forskning har med succes opnået kvante‑teleportation på trods af al den støj, der typisk forstyrrer overførslen af kvantetilstanden. Ved teleportation overføres en qubit fra et sted til et andet uden at sende selve partikkelen.

I teorien kan overførslen af kvantetilstanden udføres uden problemer, men i den virkelige verden forringer forstyrrelser og støj kvaliteten af kvante‑teleportation. Så forskerne i den seneste undersøgelse fandt, at det er en stor bedrift at opnå perfekt kvante‑teleportation trods støjen.

Publiceret i tidsskriftet Science Advances diskuterer undersøgelsen, hvordan sammenfiltring og decoherence er modkræfter i mange kvanteprotokoller og -teknologier.

Ifølge forskningen er kvantesammenfiltring, der forekommer i korrelationer, der spænder over vilkårligt lange afstande, meget betydningsfuld for grundlaget i kvantemekanikken. Den har mange anvendelser inden for informationsbehandling og kommunikation. Dog er interaktionerne mellem et kvantesystem og dets miljø uundgåelige, og decoherence kan alvorligt forringe ydeevnen af disse anvendelser.

Selvom der findes mange lovende protokoller til undertrykkelse af decoherence, med nyere arbejde der udnytter decoherence‑fri subrum, dynamisk frakobling, kvantefejlkorrektionskoder, forsinket koherent kvantefeedback og reservoir‑engineering med hjælpesystemer, er det i praksis ekstremt krævende at undgå decoherence.

Derfor foreslog undersøgelsen en effektiv protokol for kvante‑teleportation i absolut decoherence.

Undersøgelsen, udført af forskere fra University of Science and Technology of China i Hefei og University of Turku i Finland, brugte multipartit hybrid‑sammenfiltring mellem de hjælpesystem‑qubits og deres lokale miljøer inden for rammerne af et åbent kvantesystem, hvilket gjorde det muligt at opnå høj nøjagtighed.

Ifølge forskerne er lineær optik en særligt robust platform til at udføre forskellige kvanteinformationsprotokoller og studere problemer med decoherence.

Arbejdet i denne undersøgelse, ifølge Jyrki Piilo, professor ved University of Turku, udnytter begrebet distribueret sammenfiltring. Denne sammenfiltringsdistribution går ud over de anvendte qubits og udføres før protokollen sættes i gang. Det betyder at “udnytte den hybride sammenfiltring mellem forskellige fysiske frihedsgrader,” sagde Piilo.

Traditionelt er fotonpolarisation blevet brugt til at sammenfiltre qubits i teleportation. Den nye tilgang udnytter dog den hybride sammenfiltring mellem fotonpolarisation og frekvens.

Dette medfører en stor ændring i, hvordan støj påvirker protokollen. Opdagelsen vender faktisk “støjens rolle fra at være skadelig til at være gavnlig for teleportation,” udtalte Piilo.

Traditionelt fungerer teleportationsprotokollen ikke, når der ikke kun er støj under qubit‑sammenfiltring, men også når hybrid‑sammenfiltringen er til stede fra starten uden nogen støj. I modsætning hertil, når der er hybrid‑sammenfiltring og derefter tilføjes støj, foregår både teleportationen og overførslen af kvantetilstanden næsten perfekt.

På denne måde muliggør den seneste opdagelse næsten ideel teleportation trods den støj, der er forbundet med brug af fotoner.

Forskerne kalder dette et “betydningsfuldt proof‑of‑principle‑eksperiment,” med Dr. Zhao‑Di Liu fra University of Science and Technology of China i Hefei, der bemærker:

“Selvom vi har udført adskillige eksperimenter på forskellige facetter af kvantefysik med fotoner i vores laboratorium, var det meget spændende og givende at se dette meget udfordrende teleportationseksperiment blive gennemført med succes.”

Undersøgelsen bemærkede, at ud over at bekæmpe decoherence har hybrid‑sammenfiltring også hjulpet dem med at tilføje et ekstra sikkerhedslag. Undersøgelsen udtalte:

“Det ville være en interessant retning for fremtidig forskning at undersøge, hvor dybt den teleporterede information kan gemmes.”

Det er kun begyndelsen, da undersøgelsen har grundlæggende betydning for at åbne nye veje for fremtidigt arbejde med kvanteprotokoller ved at have dette som grundforskningsbasis. En måde, teknikken kan anvendes på, er i tilstandsoverførsel uden for kvante‑teleportation og ud over decoherence‑fri subrum.

Forskningen åbner også muligheden for at undersøge, om decoherence kan vendes i andre fysiske platforme, inklusive forskellige støjkilder.

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

Realisation af en to‑qubit‑gate i en konventionel silicium‑transistor

Den anden undersøgelse, som blev udført af forskere fra Schweiz’ ældste universitet, University of Basel, i samarbejde med dem fra The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, opnåede et gennembrud ved at få en kontrollerbar interaktion mellem to hul‑spin‑qubits i en traditionel silicium‑transistor.

Publiceret i Nature bemærkede undersøgelsen, som modtog open‑access‑finansiering fra University of Basel, at halvleder‑spin‑qubits har potentiale til at anvende industriel transistor‑teknologi til at producere kvantecomputere i stor skala.

For at en kvantecomputer kan udføre beregninger, har den brug for “kvante‑gates”, som er operationer, der manipulerer qubits og kobler dem sammen. Forskerne i den seneste undersøgelse var i stand til ikke kun at koble to qubits, men også at fremkalde en kontrolleret flip af en af deres spins, som afhænger af den anden spins tilstand. Koblingen afhænger af udvekslingsinteraktionen mellem de to spin‑qubits.

“Hul‑spins gør det muligt for os at skabe to‑qubit‑gates, der både er hurtige og har høj fidelitet. Dette princip gør det nu også muligt at koble et større antal qubit‑par sammen.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forskere har allerede for et par år siden vist, at hul‑spins i en eksisterende elektronisk enhed kan fanges og bruges som qubits. Nu har Kuhlmann ledt dette team af Basel‑fysikere til succes med at realisere en interaktion mellem to qubits, som kan kontrolleres.

Selvom de pågældende qubits drager fordel af at være elektrisk kontrollerbare og have sweet spots, der neutraliserer ladning og støj, har det været udfordrende at demonstrere en to‑qubit‑interaktion.

Et manglende element, ifølge undersøgelsen, har været forståelsen af udvekslingskobling under en stærk spin‑orbital interaktion. For at løse dette undersøgte forskerne to hul‑spin‑qubits i en silicium‑”FinFET” eller fin‑felt‑effekt‑transistor. Spin‑orbital kobling betyder, at en huls spin‑tilstand påvirkes af dens bevægelse gennem rummet.

Således anses halvleder‑kvante‑dot (QD) spin‑qubits som de mest egnede til fremtidige implementeringer af store kvantekredsløb. Selv den mest avancerede spin‑baserede kvanteprocessor tillader i øjeblikket universel kontrol af seks elektron‑spin‑qubits i silicium (Si). Dette efterfølges tæt af en fire‑qubit‑demonstration med huller i germanium.

I undersøgelsen brugte forskerne en qubit, der udnytter spin af en elektron eller et hul. Både elektroner og huller har spin og antager enten op‑ eller ned‑tilstand.

Hul‑spins, sammenlignet med elektron‑spins, kan kontrolleres fuldstændigt elektrisk uden behov for orbital degeneracy eller ekstra komponenter som on‑chip mikromagneter, som tilføjer kompleksitet. Dette skyldes deres intrinsiske spin‑orbital interaktion (SOI). Huller drager yderligere fordel af reduceret hyperfin‑interaktion og fraværet af en dal.

Dermed demonstrerer undersøgelsen evnen til elektrisk at kontrollere udvekslingen og udføre en betinget spin‑flip på 24 ns. Udvekslings‑Hamiltonianen har ikke længere Heisenberg‑formen og kan konstrueres til at muliggøre to‑qubit‑kontrollerede rotations‑gates uden at gå på kompromis med hastighed for nøjagtighed eller omvendt. Ifølge forskningen:

“Denne ideelle opførsel gælder over et bredt spektrum af magnetfelt‑orienteringer, hvilket gør konceptet robust i forhold til variationer fra qubit til qubit, og indikerer at det er en egnet tilgang til at realisere en kvantecomputer i stor skala.”

Denne undersøgelse antyder potentialet for at arrangere millioner af hul‑spin‑qubits på kun én chip. Dens tilgang viser også stor mulighed for udviklingen af en kvantecomputer i stor skala.

Fremtidige forbedringer i enheds­fremstilling er nødvendige for at reducere variabilitet. Når de kombineres med robuste kontrollerede rotations‑ (CROT) sweet spots, vil disse fremskridt “gøre to‑qubit‑gate‑operationer med anisotrop udveksling yderst attraktive for store qubit‑arrays.”

Forskningens fremskridt, hvis de kombineres med hurtig læsning og drift over 1 K, kan gøre det muligt for FinFET at blive brugt som en universel kvanteprocessor arrangeret på en chip, der anvendes i klassisk kontrol‑elektronik.

Virksomheder involveret i udviklingen af kvantecomputere

Lad os nu se på virksomheder, der aktivt arbejder på kvantecomputere:

#1. IBM

IBM har i mange år ledt forskning inden for kvantecomputing og udviklet IBM Q System One, den første kredsløbsbaserede kommercielle kvantecomputer. Virksomheden giver adgang til sine kvantesystemer via IBM Quantum Experience‑platformen.

Tidligere denne måned præsenterede IBM sin 1.000+ qubit‑kvanteprocessor Condor og sin utility‑scale processor IBM Quantum Heron med 133 qubits. Den annoncerede også lanceringen af en modulær kvantecomputer, Quantum System Two. Samtidig har IBM via software‑stakken Qiskit til formål at gøre udviklingen af kvantecomputing bredt tilgængelig.

I år har det japanske nationale forskningslaboratorium RIKEN annonceret, at de vil implementere IBMs kvanteprocessor og kvantecomputer‑arkitektur for integration med supercomputer Fugaku.

Virksomhedens seneste forskning på området inkluderer i øvrigt:

• Høj tærskel og lav overhead fejltolerant kvantehukommelse.
• Kodning af en magisk tilstand med en fidelity ud over break‑even.
• Simulering af store kvante‑spin‑kæder på cloud‑baserede superledende kvantecomputere.

På tidspunktet for skrivning handles virksomhedens aktier til $167,36, op 2,33 % YTD, mens dens markedsværdi er $153,73 mia. IBM har rapporteret en omsætning (TTM) på $62,07 mia, EPS (TTM) på 9,19 og P/E (TTM) på 18,22. Udbytteafkastet er 3,99 %.

I sin seneste Q1 2024‑finansielle rapportering så IBM sin omsætning stige med 1,5 % YoY i kvartalet til $14,5 mia og fri cash flow på $1,9 mia. Virksomheden bemærker, at dens “solide omsætnings‑ og fri cash‑flow‑vækst” afspejler styrken i dens cloud‑ og AI‑strategi.

#2. Google 

I kvantecomputing‑verdenen har Google gjort fremskridt med sit Quantum AI‑laboratorium, som arbejder på både hardware og software. For nogle år siden lancerede divisionen Sycamore, en 53‑qubit‑kvanteprocessor. I øjeblikket er teknologigigantens hardware fokuseret på superledende qubits, mens dens avancerede software‑stack udforsker kvantecomputings potentiale.

For et par måneder siden lancerede Google en flerårig, global konkurrence for at finde virkelige anvendelsestilfælde for kvantecomputing med en præmie på $5 millioner, som vil blive delt blandt finalistene. Google bemærkede i marts:

“Selvom der er mange grunde til at være optimistisk omkring potentialet i kvantecomputing, er vi stadig noget i mørket om den fulde omfang af hvordan, hvornår og for hvilke virkelige problemer denne teknologi vil vise sig mest transformerende.”

Virksomhedens seneste forskning på dette område inkluderer undertrykkelse af kvantefejl ved at skalere en surface‑code logisk qubit, faseovergang i tilfældig kredsløbs‑sampling samt målings‑induceret sammenfiltring og teleportation på en støjende kvanteprocessor.

På tidspunktet for skrivning handles virksomhedens aktier til $107,48, op 21,94 % YTD, mens dens markedsværdi er $2,12 billioner. Google har rapporteret en omsætning (TTM) på $218,14 mia, mens EPS (TTM) er 6,52 og P/E (TTM) er 26/13. Den betaler et udbytteafkast på 0,47 %.

For sin 1Q24‑indtjening rapporterede virksomheden en 13 % stigning i omsætning til $86,3 mia, nettoresultat på $20,28 mia og det første nogensinde $20 per aktie‑udbytte. I foråret 2024 nåede dens markedsværdi et nyt milepæl på $2 billioner, hvilket gør den til verdens fjerde mest værdifulde børsnoterede selskab.

Konklusion

Der har været et kapløb om at bygge en funktionel kvantecomputer, hvor forskerne fokuserer på at forstå qubits og arbejde med forskellige qubit‑teknologier. Qubits er grundlaget for kvantecomputeren, da de håndterer al behandling, overførsel og lagring af data. Derfor har al forskning kredset om qubits, inklusive de to seneste, der er dækket her, som har til formål at hjælpe med at bygge en praktisk kvantecomputer.

Klik her for listen over de fem bedste kvantecomputing‑virksomheder.