Kvanttitietokoneet yksi askel lähemmäs todellisuutta hyödyntäen harmonisia oskillaattoreita

Kvanttitietokonekilpailu on ollut kuuma jo muutaman vuoden ajan, ja lääkeaineiden löytäminen, materiaalitiede, optimointi, koneoppiminen ja kryptografia ovat vain muutamia aloja, jotka tulevat mullistumaan sen edistymisen myötä.

Mutta kaikesta edistyksestä huolimatta kvanttitietokoneiden rakentaminen, jotka ratkaisevat todellisia ongelmia, on ollut estettynä kolmesta suuresta haasteesta: 

• Haavoittuvat kvanttitilat
• Skaalaus samalla kun hallinta säilyy
• Koherenssin säilyttäminen

Nyt Ruotsin Chalmersin teknillisessä yliopistossa toimiva tiimi on ottanut merkittävän askeleen näiden haasteiden ratkaisemisessa ja käytännöllisten kvanttitietokoneiden kehittämisen nopeuttamisessa. He julkaisivat äskettäin uuden menetelmän julkaisivat Nature-lehdessä menetelmän kvanttitiedon manipuloimiseksi säädettävän epälineaarisuuden avulla suprajohtavissa piireissä. Tämä mahdollistaa monidimensionaalisten kvanttitilojen monimutkaiset toiminnot toteutettavaksi nopeammin ja tarkemmin kuin koskaan aikaisemmin.

Käytännöllisten kvanttitietokoneiden rakentaminen

Kvanttitietokoneen ytimessä on kvanttibitti, eli qubit, kvanttitiedon perusyksikkö. Toisin kuin klassiset bitit, jotka ovat joko 0 tai 1, qubitit voivat olla sekä 0 että 1 ja kaikki niiden välissä. Qubitit voivat myös lomittua toistensa kanssa, mikä mahdollistaa kvanttitietokoneiden suorittaa joitakin laskelmia paljon nopeammin kuin klassiset tietokoneet. 

Kuitenkin tämän kyvyn saavuttaminen on ollut merkittävä haaste. Yksi suurimmista ongelmista on kvanttitilojen haavoittuvuus. Qubitit ovat herkkiä ympäristölleen ja menettävät nopeasti kvanttimaailmalliset ominaisuutensa decoheroinnin kautta, mikä aiheuttaa virheitä kvanttilaskennassa ja rajoittaa laskelmien syvyyttä.

Toinen merkittävä ongelma on skaalaus. Kun kvanttiprosessoriin lisätään enemmän qubiteja, niiden välisten vuorovaikutusten hallinta ja kvanttiporttien toteuttaminen käy vaikeammaksi. Tämä johtuu siitä, että ohjausjärjestelmät ja kvanttien välinen ristiinkytkentä monistuvat monimutkaisemmiksi.

Ja on olemassa kompromissi koherenssin ja hallittavuuden välillä. Tekniikat, jotka tekevät qubiteista koherentimpia, kuten virheenkorjauskoodit, vaativat enemmän resursseja ja rajoittavat joitakin operaatioita. Järjestelmät, joilla on enemmän hallintaa yksittäisiin qubiteihin, kuten loukkuun asetetut ionit tai suprajohtavat piirit, ovat meluisampia ja alttiimpia decoherenssille.

“Ajattele qubittia sinisenä lampunaan, joka kvanttimekaanisesti voi olla samanaikaisesti sekä päällä että pois päältä. Sen sijaan jatkuvan muuttujan kvanttisysteemi on kuin ääretön sateenkaari, tarjoten saumattoman värigradientin. Tämä havainnollistaa sen kykyä käyttää valtavaa määrää tiloja, tarjoten paljon rikkaampia mahdollisuuksia kuin qubitin kaksi tilaa.” 

– Axel Eriksson, kvanttiteknologian tutkija Chalmersin teknillisessä yliopistossa ja tutkimuksen pääkirjoittaja

Klikkaa tästä oppiaksesi kvanttitietokoneiden nykytilasta. 

Säädettävät epälineaarisuudet suprajohtavissa piireissä

Chalmersin yliopiston tiimi, jota johtavat tohtorit Axel M. Eriksson ja Simone Gasparinetti, ovat ratkaisseet nämä ongelmat käyttämällä suprajohtavia piirejä. He ovat kehittäneet erityisen komponentin, jota kutsutaan Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonatoriksi.

SNAILit ovat suprajohtavia piirelementtejä, joilla on vahva, säädettävä epälineaarisuus. Ne ovat suprajohtavia silmukoita, joissa on Josephsonin liitoskohdat, ohuita eristäviä esteitä, joiden läpi Cooper-parit (sidotut elektroniparit) voivat tunnoa. Järjestämällä liitoskohdat epäsymmetrisesti, he ovat luoneet piirelementin, jossa on epälineaarinen induktanssi.

“Olemme luoneet järjestelmän, joka suorittaa monimutkaisia operaatioita monitilaisessa kvanttisysteemissä nopeammin kuin koskaan aikaisemmin.”

– Vanhempi kirjoittaja tohtori Simone Gasparinetti, 202Q-labin johtaja Chalmersin yliopistossa

Keskeinen asia, jonka Chalmersin tiimi teki, oli sijoittaa SNAIL-resonaattori suprajohtavaan mikroaaltokammioon, joka on bosoninen tila kvanttitiedon koodaamiseen. He sovelsivat mikroaaltipulsseja tähän hybridiin järjestelmään ja aktivoivat sekä deaktivoivat SNAILin epälineaarisuuden suorittaakseen kaikenlaisia kvanttioperaatioita nopeasti ja tarkasti.

Jatkuvan muuttujan kvanttitietojenkäsittely

Yksi Chalmersin tiimin lähestymistavan ainutlaatuisista asioista on, että se ylittää qubit-paradigman ja käyttää jatkuvan muuttujan (CV) kvanttitiloja.

CV-kvanttisysteemissä tieto koodataan harmonisen oskillaattorin amplitudi- ja vaihekvadratuureihin, kuten mikroaaltokammion kenttään. Nämä kvadratuurit voivat ottaa jatkuvan arvovälin, eivät vain 0 ja 1 kuten qubitit.

Seniorikirjoittajan tohtori Simone Gasparinetti, 202Q-labin johtaja Chalmersin yliopistosta, mukaan:

“Olemme luoneet järjestelmän, joka mahdollistaa äärimmäisen monimutkaiset operaatioita monitilaisessa kvanttisysteemissä ennennäkemättömällä nopeudella.”

CV-lähestymistavalla on etuja diskreetti-muuttujan kvanttitietojenkäsittelyyn verrattuna.
(i) Yksi, yksittäinen CV-tila voi koodata useiden qubitien verran tietoa, mikä tarkoittaa vähemmän laitteistoa virheenkestävään kvanttitietojenkäsittelyyn.
(ii) CV-tilojen tietoisuus mahdollistaa paremmat virheenkorjauskoodit, joita tarvitaan melua ja decoherenssia sisältävään kvanttitietojenkäsittelyyn.

Kuitenkin suuri ongelma CV-kvanttitietojenkäsittelyssä on ei-Gaussiset operaatiot, joita tarvitaan universaaliin kvanttitietojenkäsittelyyn. Gaussiset operaatiot, kuten siirtymä ja puristaminen oskillaattorin tilassa, voidaan toteuttaa lineaarisilla optisilla elementeillä tai mikroaaltopiireillä, mutta se ei riitä kvanttinopeutuksen saavuttamiseen, koska se voidaan simuloida klassisesti.

Ei-Gaussiset operaatiot vaativat epälineaarisia vuorovaikutuksia, jotka ovat paljon vaikeampia toteuttaa ja hallita. Aikaisemmat yritykset yhdistää CV-tiloja epälineaarisiin elementteihin ovat epäonnistuneet Kerr-efektin takia, joka sotkee kvanttiedon ja heikentää operaatioiden tarkkuutta.

Chalmersin tiimi on ratkaissut tämän suunnittelemalla epälineaarisuuden SNAIL-resonaattorin sisällä. He käyttävät SNAILia niin sanotussa “Kerr-vapaassa” pisteessä, jossa ei-toivottu Kerr-epälineaarisuus on tukahdutettu ja kolmannen asteen epälineaarisuus, jota tarvitaan ei-Gaussisiin operaatioihin, säilytetään.

“Yhteisömme on usein pyrkinyt pitämään suprajohtavat elementit poissa kvanttioskillaattoreista, jotta haavoittuvia kvanttitiloja ei sotkisi. Tässä työssä olemme haastaneet tämän paradigman. Upottamalla ohjauslaitteen oskillaattorin ytimeen pystyimme välttämään monien kvanttitilojen sotkeutumisen samalla kun pystyimme hallitsemaan ja manipuloimaan niitä. Tämän seurauksena esittelimme uuden joukon porttitoimintoja, jotka suoritettiin erittäin korkealla nopeudella.”

– Simone Gasparinetti

Universaali porttijoukko

Näyttääkseen, mitä he voivat tehdä, he ovat luoneet universaalin porttijoukon SNAIL-resonaattorialustallaan. Tämä sisältää Gaussiset portit, kuten siirtymä- ja puristusportit, sekä kuutiofaasiporin, joka on ei-Gaussinen.

Gaussiset portit toteutettiin soveltamalla mikroaaltipulsseja tietyillä taajuuksilla SNAIL-piiriin. Perustaajuudella ohjaaminen tuottaa siirtymän, ja kahdella kertaa perustaajuus tuottaa puristuksen. Näitä käytetään koherenttien ja puristettujen tilojen valmistamiseen ja manipulointiin, jotka ovat CV-kvanttitiedonkäsittelyn rakennuspalikoita.

Kuutiofaasipori toteutettiin yhdistämällä “triskuusitus”-vuorovaikutus (ohjaus kolminkertaisella perustaajuudella) alempien taajuuksien ohjauksiin. Tämä soveltaa epälineaarisen vaiheensiirron oskillaattorin tilaan, joka on verrannollinen amplitudin kuutioon, mistä nimi “kuutiofaasi” johtuu.

Kuutiofaasipori on tarpeellinen universaaliin CV-kvanttitietojenkäsittelyyn, koska se luo erittäin ei-klassisia tiloja, kuten Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) -tiloja, jotka ovat virheenkestävään kvantti­virheenkorjaukseen. Kuutiofaasipori yhdessä Gaussisten porttien kanssa tuottaa deterministisen ei-Gaussisen tilan, jota kutsutaan “kuutiofaasiksi”.

Chalmersin tiimin luomat portit toteutettiin pulssien avulla, joiden kesto on vain kymmeniä nanosekunteja. Tämä on 10–100 kertaa nopeampaa kuin aiemmat toteutukset, joissa käytettiin dispersiivisiä qubit‑oskillaattorikytkentöjä. Tämä johtuu SNAIL‑resonaattorin vahvasta epälineaarisuudesta.

Deterministinen kuutiofaasitilan valmistus

Toinen esimerkki on Chalmersin tiimin käyttäessä universaalia porttijoukkoaan luodakseen erittäin ei‑klassisen kvanttitilan, jota kutsutaan kuutiofaasitilaksi. Kuutiofaasitilat ovat tarpeen kvantti­virheenkorjaukseen, kvantti‑metrologiaan ja CV‑mittausperusteiseen kvanttitietojenkäsittelyyn.

Kuutiofaasitilan valmistus toteutettiin soveltamalla portteja SNAIL‑resonaattorin perus­tilaan (tyhjiö). Ensin 20 ns puristusportti sovellettiin luomaan puristettu tyhjiötila. Sitten 40 ns kuutiofaasipori sovellettiin tähän puristettuun tilaan, ja voilà, kuutiofaasitila, jonka kuutioisuus on 0,11.

Tila karakterisoitiin Wigner‑tomografialla, joka tuottaa kvanttitilan vaiheavaruusjakauman. Wigner‑funktio oli voimakkaasti negatiivinen, mikä on ei‑klassista eikä sitä voida havaita missään klassisessa oskillaattorissa.

Kuutiofaasitilan uskollisuus kohteena olevaan tilaan oli 92 %. He osoittivat, että tilan kuutioisuutta voidaan lisätä yksinkertaisesti pidentämällä kuutiofaasiporin kestoa. Tämä on paljon parempi kuin aiemmat tilanvalmistusmenetelmät, jotka vaativat täyden ohjaussekvenssin uudelleenoptimoinnin jokaiselle kuutioisuusarvolle.

Parannusmahdollisuuksia ja tulevaa työtä

Vaikka Chalmersin tiimin saavutukset ovatkin jo kiitettäviä, on silti vielä tehtävää:

SNAIL‑resonaattori

Yksi kvanttioperaatioiden rajoitus on SNAIL‑resonaattorin koherenssiaika. Heillä on koherenssiaikoja muutaman mikrosekunnin luokkaa, mikä riittää toistaiseksi, mutta pidemmät koherenssiaikojen mahdollistavat monimutkaisemmat ja syvemmät kvanttipiirit. SNAIL‑piirin parametrien optimointi magneettikenttä‑kohinan vähentämiseksi sekä mikroaaltoympäristön suojaus ja suodatus ovat keinoja parantaa koherenssia.

Tämä sisältää:

• SNAIL‑resonaattorin koherenssiaika (muutama mikrosekunti riittää toistaiseksi, mutta pidemmät mahdollistavat monimutkaisemmat piirit)
• SNAIL‑piirin parametrien optimointi magneettikenttä‑kohinan vähentämiseksi
• Mikroaaltoympäristön suojaus ja suodatus

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten kvanttialtistimet ja infrapunalaserit voivat auttaa meitä rakentamaan seuraavan sukupolven kvanttitietokoneita.

Skaalautuvuus

Toinen parannuskohde on skaalautuvuus. Kokeilu tehtiin yhdellä SNAILilla, mutta suurten mittakaavan kvanttitietokoneeseen tarvitaan useita SNAILeja. Skaalaamiseksi voidaan käyttää useita SNAILeja, joista jokainen on kytketty omaan mikroaaltokammioonsa. Tämä asetus mahdollistaa moniqubit‑porttien ja lomittuneiden tilojen luomisen suunnittelemalla kytkennän kammioiden välillä. Tämä kuitenkin edellyttää hallintaa SNAILien valmistuksessa ja virityksessä, jotta ne olisivat homogeenisia ja toistettavia.

• Skaalautuvuus (nyt yksi SNAIL, mutta suurten mittakaavan kvanttitietokoneeseen tarvitaan useita)
• SNAIL‑matriisi, jossa jokaisella on oma mikroaaltokammio
• Moniqubit‑portit ja lomittuneet tilat matriisin yli kytkemällä kammioita
• Hallinta SNAILien valmistuksessa ja virityksessä homogeenisuuden ja toistettavuuden varmistamiseksi

CV‑tilojen määrän skaalaamisen lisäksi meidän on myös kasvatettava fotonien määrää kussakin tilassa. SNAIL‑resonaattorin epälineaarisuus poikkeaa ihanteellisesta käyttäytymisestään korkeammilla fotonimäärillä, mikä rajoittaa laskennallisen Hilbert‑avaruuden kokoa.

Yksi tapa korjata tämä on käyttää moni‑SNAIL‑suunnitelmaa, jossa kunkin SNAILin epälineaarisuus on suunniteltu kumoutumaan korkeammilla järjestyksillä samalla kun alempien järjestysten vuorovaikutukset säilyvät.

Muita mahdollisia edistysaskeleita ovat:

• Lisää CV‑tiloja
• Lisää fotoneja kussakin tilassa
• SNAIL‑resonaattorin epälineaarisuus saa sen poikkeamaan ihanteellisesta käyttäytymisestä korkeammilla fotonimäärillä
• Rajoittaa laskennallisen Hilbert‑avaruuden kokoa
• Moni‑SNAIL‑suunnitelma: kunkin SNAILin epälineaarisuus kumoutuu korkeammilla järjestyksillä säilyttäen alempien järjestysten vuorovaikutukset

Tulevaisuudessa Chalmersin tiimi haluaa integroida SNAIL‑resonaattorialustansa muiden kvanttitietokonearkkitehtuurien kanssa luodakseen hybridi­järjestelmiä. Esimerkiksi SNAIL‑välitteisiä vuorovaikutuksia voidaan käyttää suprajohtavien qubittien ja CV‑tilojen lomittamiseen monimutkaisten moniqubit‑tilojen luomiseksi. Tässä työssä kehitetyt nopeat ja tehokkaat CV‑portit voidaan käyttää kvantti­virheenkorjaukseen koodatuilla qubiteilla, mikä tekee kvanttiprosessoreista kestävämpiä ja skaalautuvampia.

Yksi jännittävä tulevaisuuden näkymä on SNAIL‑resonaattorialustan integroiminen optisiin kvanttisysteemeihin. Suprajohtavat piirit soveltuvat kvanttitietokoneisiin, jotka toimivat mikroaaltotaajuuksilla ja kriogeenisissa lämpötiloissa. Optiset kvanttisysteemit, jotka toimivat huoneenlämmössä, ovat puolestaan ihanteellisia pitkän matkan kvanttiviestintään. Kehittämällä kvanttitaajuusmuunnin voimme yhdistää molempien maailmojen parhaat puolet ja luoda skaalautuvan ja verkottuneen kvanttitietokoneen.

Yhteenveto

Se, mitä Chalmersin tiimi on saavuttanut, on merkittävä edistysaskel käytännöllisille kvanttitietokoneille. He ovat käyttäneet säädettävää epälineaarisuutta suprajohtavissa piireissä kehittääkseen laitteistotehokkaan ja hallittavan kvanttitietokoneen, joka pystyy nopeasti ja tarkasti suorittamaan monimutkaisia operaatioita monidimensionaalisissa kvanttitiloissa.

Tämä edustaa uutta paradigmaa CV‑NISQ‑laskennassa. SNAIL‑resonaattorit voivat ratkaista vaikeita ongelmia kvanttikemiassa, optimoinnissa ja koneoppimisessa. Kun tämä teknologia kehittyy ja skaalaa, se avaa sovelluksia, joita klassiset tietokoneet eivät pysty toteuttamaan.

Kuitenkin suurten mittakaavan, virheenkestävien kvanttitietokoneiden rakentaminen kohtaa edelleen merkittäviä haasteita, kuten suprajohtavien piirien koherenssiaika, qubittien ja CV‑tilojen määrä sekä eri kvanttitietokonealustojen väliset rajapinnat.

Näistä haasteista huolimatta kvanttitietokoneet soveltavassa tieteessä ovat kehittyneet pitkälle, ja Chalmersin tiimi on ollut keskeisessä roolissa näiden rajoitusten rikkomisessa. He ovat laajentaneet kvanttitietokoneiden työkalupakkia ja osoittaneet uusia tapoja hyödyntää kvanttimekaniikkaa. Nyt olemme yhden askeleen lähempänä saavutettavaa kvanttitietojenkäsittelyä.

Kun teoria ja kokeet etenevät nopeammin, kvanttitietokoneiden tulevaisuus ei ole koskaan näyttänyt paremmalta. Kvanttitietokoneet tarjoavat eksponentiaalisen nopeutuksen laajalle valikoimalle laskennallisia tehtäviä aloilla kuten lääkeaineiden löytäminen, materiaalisuunnittelu, kryptografia ja tekoäly. Yhdistettynä edistysaskeliin teknologioissa kuten tekoäly, nämä kehitykset vakuuttavat, että maailma on mullistavien muutosten kynnyksellä, joita on vaikea täysin kuvitella.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä parhaasta kvanttitietokoneyrityksestä.