Forståelse af Qubits – Teleportation og Kontrolleret Interaktion Gennembrud

Der sker meget i verden af kvantecomputering. Chip-giganten Nvidia har lanceret en open-source CUDA-Q-platform til at accelerere kvantecomputering-bestræbelser, mens Kina har skabt sin største kvantecomputering-chip. Derefter er der forskere fra University of Manchester, der har udviklet ultra-ren silicium, der baner vejen for næste generations computere.

All denne ophidselse og udvikling omkring kvantecomputere giver mening, da teknologien har enorm potentiale på tværs af forskellige områder, herunder kryptografi, lægemiddelforskning, løsning af komplekse optimeringsproblemer, forbedring af maskinelæringsalgoritmer og meget mere.

Kvantecomputere kan opnå alligevel ved at udnytte kvanteteori, der er opførsel og natur af stof og energi på atomare og endda mindre subatomare niveauer. Kvantecomputering udnytter subatomare partikler såsom fotoner og elektronik. Qubits (kvantebit) tillader derefter, at disse partikler eksisterer i multiple tilstande samtidigt og manipuleres af kontroleenheder.

For at håndtere eksponentielt hurtigere hastigheder end din traditionelle computer, mens der forbruges mindre energi, bruger kvantecomputere superposition og sammenfletning.

Superposition indebærer at addere to eller flere kvantetilstande for at skabe endnu en gyldig kvantetilstand. Superpositionen af qubits tillader kvantecomputere at behandle millioner af operationer samtidigt.

Sammenfletning sker, når to systemer er forbundet, således at kendskab til den ene systems tilstand giver øjeblikkelig kendskab om den anden.Dette gør det muligt for kvantecomputere at løse komplekse problemer på en hurtig måde.

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

Som vi så, spiller qubits en afgørende rolle i at gøre kvantecomputering, men ikke alt er kendt om dem. Men to nyere uafhængige eksperimenter har udvidet vores forståelse af qubits, hvilket markerer et vigtigt skridt mod at bygge en fungerende kvantecomputer.

Kvanteteleportation Opnået

Nyt forskning har succesfuldt opnået kvanteteleportation trods al støj, der normalt forstyrrer overførslen af kvantetilstand. Ved teleportation overføres en qubit fra en lokalitet til en anden uden at sende partiklen selv.

I teorien kan overførslen af kvantetilstanden udføres uden problemer, men i den virkelige verden degraderer forstyrrelser og støj kvaliteten af kvanteteleportation. Derfor fandt forskerne i den seneste studie, at opnåelse af perfekt kvanteteleportation trods støjen er en stor bedrift.

Udgivet i tidsskriftet Science Advances,studiet beskriver, hvordan sammenfletning og decoherence er modkræfter af mange kvanteprotokoller og -teknologier.

Ifølge forskningen er kvantsammenfletning, der opstår i korrelationer, der strækker sig over arbitrært lange afstande, meget betydningsfuld for grundlaget for kvantemekanik. Den har mange anvendelser i informationsbehandling og kommunikation. Men interaktionerne mellem et kvantesystem og dets omgivelser er uundgåelige, og decoherence kan alvorligt nedgrade disse anvendelsers ydelse.

Selv om der er mange lovende decoherence-undertrykkelsesprotokoller med nyere arbejder, der udnytter decoherence-frie underrum, dynamisk dekobling, kvantefejlkorrekturkoder, forsinket koherent kvantefeedback og reservoir-ingeniørarbejde med hjælpeunder-systemer, er det ekstremt krævende at undgå decoherence i praksis.

Derfor foreslog studiet en effektiv protokol for kvanteteleportation i absolut decoherence.

Studiet, der blev udført af forskere fra University of Science and Technology of China, Hefei, og University of Turku, Finland, brugte multipartit hybrid-sammenfletning mellem de hjælpe-qubits og deres lokale omgivelser inden for den åbne kvantesystemkontekst, hvilket gjorde det muligt at opnå høj nøjagtighed.

Ifølge forskerne er lineær optik en særligt robust platform for udførelse af forskellige kvanteinformationprotokoller og studier af problemer med decoherence.

Arbejdet i denne studie, ifølge Jyrki Piilo, en professor fra University of Turku, udnytter begrebet distribueret sammenfletning. Denne sammenfletningsdistribution går ud over de brugte qubits og er udført før drift af protokollen.Dette betød “at udnytte den hybride sammenfletning mellem forskellige fysiske grader af frihed,” sagde Piilo.

Traditionelt er fotonpolarisation blevet brugt til at sammenflette qubits i teleportation. Men den nye tilgang udnytter den hybride sammenfletning mellem fotonpolarisation og frekvens.

Dette medfører en stor ændring i, hvordan støj påvirker protokollen. Opdagelsen, i virkeligheden, “omvender rollen af støjen fra at være skadelig til at være gavnlig for teleportation,” sagde Piilo.

Traditionelt fungerer teleportationsprotokollen ikke, når der ikke kun er støj under qubit-sammenfletning, men også når hybrid-sammenfletning er til stede fra starten uden nogen støj. I modsætning hertil fungerer både teleportation og kvantetilstandsoverførsel næsten perfekt, når der er hybrid-sammenfletning og derefter tilføjes støj.

På denne måde tillader den seneste opdagelse næsten ideel teleportation trods støjen forbundet med brug af fotoner.

Forskerne kalder dette for “en betydningsfuld princip-eksperiment,” med Dr. Zhao-Di Liu fra University of Science and Technology of China, Hefei, der bemærker:

“Selv om vi har udført mange eksperimenter på forskellige aspekter af kvantefysik med fotoner i vores laboratorium, var det meget spændende og belønnende at se dette meget udfordrende teleportationseksperiment fuldført.”

Studiet bemærkede, at ud over at bekæmpe decoherence, har hybrid-sammenfletning også hjulpet dem med at bringe endnu et lag af sikkerhed. Studiet bemærkede:

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

Det er kun begyndelsen, med studiet havende fundamentalt betydning for at åbne nye veje for fremtidig arbejde med kvanteprotokoller ved at have dette som grundlæggende forskning. En måde, hvorpå teknikken kan anvendes, er i tilstandsoverførsel uden for kvanteteleportation og ud over decoherence-frie underrum.

Forskningen åbner også muligheden for at se, om decoherence kan omvendes i andre fysiske platforme, herunder forskellige kilder til støj.

Klik her for at lære om den nuværende tilstand af kvantecomputering.

Realisering af en To-Qubit-Port i en Konventionel Silicium-Transistor

Den anden studie, der 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,gjorde et gennembrud ved at få en kontrollerbar interaktion mellem to hull-spin-qubits i en traditionel silicium-transistor.

Udgivet i Nature, studiet, der modtog open-access-finansiering fra University of Basel, bemærkede, at halvleder-spin-qubits tilbyder potentialet for at anvende industritransistorteknologi til at producere storstilet kvantecomputere.

For at en kvantecomputer kan udføre beregninger, har den brug for “kvantepporter,” der er operationer, der manipulerer qubits og kobler dem til hinanden. Forskerne i den seneste studie kunne ikke kun kobles to qubits, men også udføre en betinget spin-omvendelse, der afhænger af den anden qubits spin-tilstand. Koblingen afhænger af udvekslingsinteraktionen af de to spin-qubits.

“Hull-spin tillader os at skabe to-qubit-porte, der er både hurtige og højtilgængelige. Denne princip gør det nu også muligt at kobles en større antal qubit-par.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forskere har allerede for et par år siden vist, at hull-spin i en eksisterende elektronisk enhed og kan fanges og bruges som qubits. Nu ledte Kuhlmann dette hold af Basel-fysikere til succes i at realisere en interaktion mellem to qubits, der kan kontrolleres.

En manglende faktor, ifølge studiet, har været forståelsen af udvekslingskobling under stærk spin-orbit-interaktion. For at imødegå dette forskede videnskabsmændene to hull-spin-qubits i en silicium-“FinFETs” eller fin-felt-effekttransistor. Spin-orbit-kobling betyder, at en hulls spin-tilstand påvirkes af dets bevægelse gennem rummet.

Derfor ses halvleder-quantepunkt-spin-qubits som de mest egnede til fremtidige implementeringer af storstilet kvantecirkuit. Men selv den mest avancerede spin-baserede kvanteprocessor tillader i øjeblikket universel kontrol af seks elektron-spin-qubits i silicium (Si). Dette er tæt fulgt af en fire-qubit-demonstration med huller i germanium.

Til studiet brugte forskerne en qubit, der anvender spinnets elektron eller et hul. Både elektroner og huller spinner og antager enten op eller ned-tilstand.

Hull-spin, i forhold til elektron-spin, kan kontrolleres fuldstændigt elektrisk uden behov for orbital-degenererethed eller yderligere komponenter som on-chip-mikromagneter, der tilføjer kompleksitet til ligningen. Dette er på grund af deres intrinsiske spin-orbit-interaktion (SOI). Hull-spin har yderligere fordel af reduceret hyperfin-interaktion og fravær af en dal.

Som sådan demonstrerer studiet evnen til at elektrisk kontrollere udvekslingen og udføre en betinget spin-omvendelse på 24 ns. Udvekslings-Hamiltonian har ikke længere Heisenberg-formen og kan konstrueres til at aktivere to-qubit-kontrollerede rotationsporte uden at ofre hastighed for nøjagtighed eller vice versa. Ifølge forskningen:

“Dette ideelle adfærd gælder over en bred vifte af magnetfelt-orienteringer, hvilket gør konceptet robust i forhold til variationer fra qubit til qubit, hvilket indikerer, at det er en egnet tilgang til at realisere en storstilet kvantecomputer.”

Denne studie antyder potentialet for at anordne millioner af hull-spin-qubits på kun én chip. Dens tilgang viser også stor mulighed for udviklingen af en storstilet kvantecomputer.

Fremtidige forbedringer i enhedsfabrikation er nødvendige for at reducere variation. Når kombineret med robust kontrolleret rotation (CROT) søde punkter, vil disse fremskridt “gøre to-qubit-port-operationer med anisotrop udveksling meget attraktive for store qubit-arrays.”

Forskningen fremmer, hvis kombineret med hurtig læsning og drift over 1 K, kan tillade FinFET at bruges som en universel kvanteprocessor anordnet på en chip brugt i klassisk kontrolelektronik.

Virksomheder Involveret i Udviklingen af Kvantecomputere

Nu skal vi kaste et blik på virksomheder, der aktivt arbejder på kvantecomputere:

#1. IBM

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

For nylig annoncerede IBM sin 1.000+ qubit kvanteprocessor Condor og sin utility-skala processor IBM Quantum Heron med 133 qubits. Det annoncerede også lanceringsplanerne for en modulær kvantecomputer, Quantum System Two. Imens søger IBM gennem software-stakken Qiskit at gøre udviklingen af kvantecomputering bredt tilgængelig.

I år annoncerede det japanske nationale forskningslaboratorium RIKEN, at det vil udvikle IBMs kvanteprocessor og kvantecomputer-arkitektur til integration med supercomputeren Fugaku.

Virksomhedensseneste forskning i feltet omfatter:

• Højtydende og lav-overhead fejl-tolerant kvantehukommelse.
• Kodning af en magisk tilstand med over-break-even-trofasthed.
• Simulation af store kvantespinkæder på cloud-baserede superledende kvantecomputere.

På skrivestunden handler virksomhedens aktier for 167,36 dollars, op 2,33% år-til-dato, mens markedsværdien er 153,73 mia. dollars. IBM har rapporteret en omsætning (TTM) på 62,07 mia. dollars, en EPS (TTM) på 9,19 og en P/E (TTM) på 18,22. Aktieudbyttet er 3,99%.

Under dens seneste Q1 2024-finansiel rapportering så IBM en omsætningsstigning på 1,5% år-til-år under kvartalet til 14,5 mia. dollars og en fri kontantstrøm på 1,9 mia. dollars. Virksomheden bemærker, at dens “solide omsætnings- og fri kontantstrømsvækst” afspejler styrken i dens cloud- og AI-strategi.

#2. Google

I verden af kvantecomputering har Google gjort fremskridt med sin Quantum AI-lab, der arbejder på både hardware og software. For et par år siden lancerede afdelingen Sycamore, en 53-qubit kvanteprocessor. I øjeblikket er tech-gigantens hardware fokuseret på superledende qubits, mens dens avancerede software-stak udforsker kraften af kvantecomputering.

For et par måneder siden lancerede Google en flerårig, global konkurrence for at finde virkelige anvendelsesmuligheder for kvantecomputering med en pris på 5 mio. dollars, der vil blive fordelt mellem finalisterne. Google bemærkede i marts:

“Selv om der er mange grunde til at være optimistisk om potentialet for kvantecomputering, er vi stadig lidt i mørke om det fulde omfang af, hvordan, hvornår og for hvilke virkelige problemer denne teknologi vil vise sig at være mest gennemgående.”

Virksomhedensseneste forskning i dette felt omfatter undertrykkelse af kvantefejl ved at skala en overfladekode-logisk qubit, faseovergang i tilfældig cirkel-sampling og målingsinduceret sammenfletning og teleportation på en støjfuld kvanteprocessor.

På skrivestunden handler virksomhedens aktier for 107,48 dollars, op 21,94% år-til-dato, mens markedsværdien er 2,12 billioner dollars. Google har rapporteret en omsætning (TTM) på 218,14 mia. dollars, en EPS (TTM) på 6,52 og en P/E (TTM) på 26/13. Aktieudbyttet er 0,47%.

For dens 1. kvartalsregnskab 2024 rapporterede virksomheden en omsætningsstigning på 13% til 86,3 mia. dollars, et nettoresultat på 20,28 mia. dollars og det første nogensinde 20 dollars per aktie-udbytte. I foråret 2024 nåede dens markedsværdi en ny milepæl på 2 billioner dollars, hvilket gjorde det til verdens fjerde mest værdifulde offentlige selskab.

Konklusion

Der har været en kapløb for at bygge en fungerende kvantecomputer, for hvilken forskere er fokuseret  på at forstå qubits og arbejde med forskellige qubit-teknologier. Qubits er grundlaget for kvantecomputeren, da de håndterer all behandling, overførsel og lagring af data. Derfor sker al forskning omkring qubits, herunder de to seneste, der sigter mod at hjælpe med at bygge en praktisk kvantecomputer.

Klik her for listen over de fem bedste kvantecomputering-virksomheder.