Kvanttiprosessien ymmärtäminen – Teleportaatio ja ohjattu vuorovaikutus läpimurto

Paljon tapahtuu kvanttilaskennan maailmassa. Suuri mikropiirivalmistaja Nvidia on käynnistänyt avoimen CUDA-Q-alustan kvanttilaskennan nopeuttamiseksi, kun taas Kiina on luonut suurimman kvanttiprosessorinsa. Sitten ovat Manchesterin yliopiston tutkijat, jotka ovat kehittäneet erittäin puhdasan piin, joka mahdollistaa seuraavien sukupolven tietokoneiden kehittämisen.

Kaikki tämä jännitys ja kehitys kvanttitietokoneiden ympärillä on järkevää, koska teknologia tarjoaa valtavan potentiaalin useilla eri aloilla, mukaan lukien salakirjoitus, lääkekehitys, monimutkaisten optimointiongelman ratkaiseminen, koneoppimisalgoritmien parantaminen ja paljon muuta.

Kvanttitietokoneet voivat saavuttaa tämän hyödyntämällä kvanttimekaniikkaa, joka on aineen ja energian käyttäytyminen atomien ja jopa pienempien alkuaineiden tasolla. Kvanttilaskenta hyödyntää alkuaineita, kuten fotoneja ja elektroneja. Kubitit (kvanttiprosessorit) sallivat näiden hiukkasten olemassaolon useissa tiloissa samanaikaisesti ja niitä ohjataan ohjauslaitteilla.

Kvanttitietokoneet käyttävät superpositiota ja sidostusta saavuttaakseen eksponentaalisesti nopeammat nopeudet kuin perinteinen tietokone ja kuluttaa vähemmän energiaa.

Superpositio sisältää kahden tai useamman kvanttitilan yhdistämisen muodostamaan uuden kelvollisen kvanttitilan. Kubitien superpositio mahdollistaa kvanttitietokoneiden prosessoida miljoonia operaatioita samanaikaisesti.

Sidonta tapahtuu, kun kaksi järjestelmää ovat kytkettyjä siten, että toisen järjestelmän tilan tiedostaminen antaa välittömästi tiedon toisesta järjestelmästä. Tämä mahdollistaa kvanttitietokoneiden ratkaista monimutkaisia ongelmia nopeasti.

Ongelma tässä on dekoherenssi, joka on kvanttitilan menetys kubitiissa tekijöiden vuoksi, kuten säteily, tärinä tai lämpötilan muutos. Tämä aiheuttaa virheitä laskennassa. Kubitien suojaamiseksi häiriöiltä ne sijoitetaan tyhjiökammioihin, eristykseen ja suprajohtaviin jääkaappeihin.

Kuten näimme, kubitit ovat keskeisiä kvanttilaskennan toteuttamisessa, mutta kaikkea ei tiedetä niistä. Kuitenkin kaksi viimeaikaisista riippumattomista kokeista on laajentanut ymmärrystämme kubiteista, mikä on tärkeä askel toimivan kvanttitietokoneen rakentamiseksi.

Kvanttiteleportaatio saavutettu

Uusi tutkimus on onnistuneesti saavuttanut kvanttiteleportaation huolimatta siitä, että yleensä häiriöt häikäisevät kvanttitilan siirtoa.

Teoriassa kvanttitilan siirto voidaan tehdä ilman ongelmia, mutta todellisessa maailmassa häiriöt ja melu heikentävät kvanttiteleportaation laatua. Joten tutkijat viimeisimmässä tutkimuksessa totesivat, että täydellisen kvanttiteleportaation saavuttaminen häiriöistä huolimatta on suuri saavutus.

Julkaistu tieteellisessä julkaisussa Science Advances, tutkimus kertoo, miten sidonta ja dekoherenssi ovat useiden kvanttiprotokollien ja -tekniikoiden vastavoimia.

Tutkimuksen mukaan kvanttiSidonta, joka ilmenee korrelaatioissa, jotka ulottuvat mielivaltaisen pitkille etäisyyksille, on erittäin merkittävää kvanttimekaniikan perusteiden kannalta. Se on sovelluksia tietojen prosessoinnissa ja viestinnässä. Kuitenkin vuorovaikutus kvanttijärjestelmän ja sen ympäristön välillä on välttämätöntä, ja dekoherenssi voi heikentää näiden sovellusten suorituskykyä.

Vaikka on olemassa monia lupaavia dekoherenssin torjuntaprotokollia, joissa on hyödynnetty viimeaikaisia töitä dekoherenssin vapaista alueista, dynaamisesta dekoherenssista, kvanttivirheenkorjauskoodien, viivästetystä koherentista kvanttipalautteesta ja varastointitekniikasta apujärjestelmien kanssa, dekoherenssin välttäminen on erittäin vaativaa käytännössä.

Tämän vuoksi tutkimus ehdotti tehokasta protokollaa kvanttiteleportaatiolle absoluuttisessa dekoherenssissa.

Tutkimus, jota suorittivat tutkijat Kiinan tiede- ja teknologiayliopistosta, Hefeistä, ja Turun yliopistosta, Suomesta, käytti moniosaisia hybridiSidontaa apu-kubittien ja niiden paikallisten ympäristöjen välillä avoimen kvanttijärjestelmän kontekstissa, mikä mahdollisti korkean tarkin.

Tutkijoiden mukaan lineaarinen optiikka on erittäin luotettava alusta eri kvanttitietojen protokollien suorittamiseen ja dekoherenssin ongelman tutkimiseen.

Tämä työ, kuten Turun yliopiston professori Jyrki Piilo toteaa, hyödyntää jakautuneen sidonnan käsitettä. Tämä sidonnan jakautuminen menee käytettyjen kubittien ja niiden ennen protokollan toimintaa. Tämä tarkoittaa “hybridisidontaa eri fyysisten astetta välillä”, Piilo sanoi.

Perinteisesti fotoni-polarisaatio on käytetty kubittien sidontaan teleportaatiossa. Kuitenkin uusi lähestymistapa hyödyntää hybridisidontaa fotoni-polarisaation ja taajuuden välillä.

Tämä tuo suuren muutoksen siihen, miten melu vaikuttaa protokollaani. Löytö, tosiasia, “kääntää melun roolin vahingollisesta hyödylliseksi teleportaatiolle”, Piilo totesi.

Perinteisesti teleportaatio-protokolla ei toimi, kun on melua kubittien sidonnassa, mutta myös kun on hybridisidontaa aluksi ilman melua. Vastaavasti, kun on hybridisidontaa ja sitten lisätään melua, sekä teleportaatio että kvanttitilan siirto tapahtuvat lähes täydellisesti.

Tällä tavoin viimeisin löytö mahdollistaa lähes ihanteellisen teleportaation melun kanssa, joka liittyy fotonien käyttöön.

Tutkijat kutsuvat tätä “merkittäväksi periaatteelliseksi kokeeksi”, ja Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston Hefein tutkija Zhao-Di Liu toteaa:

“Vaikka olemme tehneet useita kokeita eri kvanttifysiikan osista fotonien kanssa laboratoriossamme, oli erittäin jännittävää ja palkitsevaa nähdä tämä haasteellinen teleportaatio-koe onnistuneesti suoritettuna.”

Tutkimus toteaa, että hybridisidonta on auttanut heitä tuomaan turvallisuuden lisäkerroksen. Tutkimus toteaa:

“Olisi mielenkiintoista tulevaisuuden tutkimuksena selvittää, kuinka syvälle teleportattu tieto voidaan piilottaa.”

Se on vasta alku, ja tutkimus on perustavanlaatuinen avaamassa uusia polkuja tulevaisuuden työlle kvanttiprotokollissa tämän tutkimuksen pohjalta. Yksi tapa, jolla tämä tekniikka voidaan soveltaa, on tilan siirrossa kvanttiteleportaation ulkopuolella ja dekoherenssin vapaista alueista.

Tutkimus avaa myös mahdollisuuden tutkia, voidaanko dekoherenssi kääntää toisin pinnoissa, mukaan lukien eri melunlähteet.

Klikkaa tästä lisätietoja kvanttilaskennan nykytilasta.

Kahden kubitin portti toteutettu perinteisessä pi-transistorissa

Toisessa tutkimuksessa, jota suorittivat Sveitsin vanhin yliopisto, Baselin yliopisto, yhteistyössä NCCR SPIN -tutkimuskeskuksen kanssa, saavutettiin läpimurto saavuttamalla ohjattava vuorovaikutus kahden reiän spin-kubitin välillä perinteisessä pi-transistorissa.

Julkaistu Nature-lehdessä, tutkimus, joka sai avoimen pääsyrahoituksen Baselin yliopistolta, toteaa, että puolijohde-spin-kubitit tarjoavat potentiaalia hyödyntää teollisen transistoriteknologiaa suurten mittakaavojen kvanttitietokoneiden tuottamiseen.

Kvanttitietokoneen suorittaakseen laskentoja, sille tarvitaan “kvanttiportteja”, jotka ovat operaatioita, jotka manipuloivat kubitteja ja kytkentävät ne toisiinsa. Tutkijat onnistuivat saamaan kaksi kubittia kytkettyä ja aiheuttamaan ohjattavan käännön yhden spinin, joka riippuu toisen spinin tilasta. Kytkentä riippuu kahden spin-kubitin vaihtovirkorrektion vuorovaikutuksesta.

“Reiän spinin mahdollistaa luoda kaksi-kubittisia portteja, jotka ovat sekä nopeita että korkean tarkkuuden omaavia. Tämä periaate mahdollistaa myös useamman kubittiparin kytkennän.”

– Tohtori Andreas Kuhlmann

Tutkijat ovat jo aiemmin osoittaneet, että reiän spinnit olemassaolevassa elektronisessa laitteessa voidaan ansaita ja käyttää kubittienä. Nyt Kuhlmann johti Baselin yliopiston fysiikan ryhmää saavuttamaan onnistuneesti ohjattavan vuorovaikutuksen kahden kubitin välillä.

Kuitenkin kubittien kytkentä on ollut haasteellista.

Puuttuva tekijä, kuten tutkimus toteaa, on ollut ymmärrys vaihtovirkorrektion vuorovaikutuksesta vahvan spin-orbitaalisen vuorovaikutuksen aikana. Tätä varten tutkijat tutkivat kahta reiän spin-kubittia pi-“FinFET” -transistorissa. Spin-orbitaalinen vuorovaikutus tarkoittaa, että reiän spin-tila vaikuttaa sen liikkeeseen avaruudessa.

Semikondukttorikvanttipilkkuspin-kubitit nähdään soveltuviksi tulevaisuuden suurten mittakaavojen kvanttipiirien toteuttamiseen. Kuitenkin jopa nykyinen edistynein spin-pohjainen kvanttiproessori sallii yleisen ohjauksen kuuden elektronin spin-kubittien kanssa piissä (Si). Tämä on seurattu neljän kubitin demonstroidulla rei’illä germaniumissa.

Tutkimuksessa käytettiin kubittia, joka käyttää elektronin tai reiän spin-ominaisuutta. Sekä elektronit että reiät pyörivät ja omaksuvat joko ylös- tai alaspäin-tilan.

Reiän spinnit, verrattuna elektronin spinneihin, voidaan ohjata täysin sähköisesti ilman orbital- degeneraation tai lisäkomponenttien tarvetta, kuten mikromagneetteja, jotka lisäävät monimutkaisuutta. Tämä johtuu niiden intrinsikkisestä spin-orbitaalisen vuorovaikutuksesta (SOI). Reiät hyötyvät myös vähennetystä hyperfine-vuorovaikutuksesta ja valley-puutteesta.

Tutkimus osoittaa kykyä ohjata sähköisesti vaihtovirkorrelaatiota ja suorittaa ehdollisen spin-käännön 24 ns:ssa. Vaihtovirkorrelaatio-Hamiltoniaani ei enää ole Heisenbergin muodossa ja voidaan suunnitella mahdollistamaan kaksi-kubittisia ohjattuja rotaatioportteja ilman nopeuden ja tarkkuuden uhraamista. Tutkimuksen mukaan:

“Tämä ihanteellinen käyttäytyminen on voimassa laajalla magneettikentän suunnalla, mikä tekee tämän lähestymistavan soveltuvaksi suuren mittakaavan kvanttitietokoneen toteuttamiseen.”

Tämä tutkimus viittaa mahdollisuuteen järjestää miljoonia reiän spin-kubitteja vain yhdelle piirille.

Tutkimuksen lähestymistapa osoittaa myös suuren potentiaalin suuren mittakaavan kvanttitietokoneen kehittämiseen.

Tulevaisuuden parannukset laitteen valmistuksessa ovat tarpeen vähentämään muuttujia. Yhdistettynä luotettavan ohjatun rotaation (CROT) “sweet spot” -parannuksiin, nämä edistysaskeleet “tekevät kaksi-kubittisten porttien operaatiot anisotrooppisella vaihtovirkorrelaatiolla erittäin houkutteleviksi suurten kubittimatriisien kannalta”.

Tutkimuksen edistysaskeleet, yhdistettynä nopeaan lukemiseen ja operaatioihin yli 1 K, voivat mahdollistaa FinFETin käytön universaali-kvanttiproessorina, joka on järjestetty klassisen ohjaus-elektroniikan piirille.

Kvanttitietokoneiden kehittämiseen osallistuvat yritykset

Katsotaan nyt yrityksiä, jotka ovat aktiivisesti mukana kvanttitietokoneiden kehittämisessä:

#1. IBM

IBM on johtanut kvanttilaskennan tutkimusta useita vuosia ja kehittänyt IBM Q System One -järjestelmän, ensimmäisen kaupallisen kvanttitietokoneen. Yritys tarjoaa pääsyn kvanttijärjestelmiinsä IBM Quantum Experience -alustan kautta.

Viime kuussa IBM julkisti yli 1 000 kubitin kvanttiprosessorin Condorin ja 133 kubitin kvanttiprosessorin IBM Quantum Heronin. Yritys ilmoitti myös modulaarisen kvanttitietokoneen, Quantum System Two, julkaisusta. Samaan aikaan IBM pyrkii tekemään kvanttilaskennan laajasti saataville Qiskit-ohjelmistopinon kautta.

Tänä vuonna Japanin kansallinen tutkimuslaitos RIKEN ilmoitti, että se ottaa käyttöön IBM:n kvanttiprosessorin ja kvanttiteknologian yhdistämiseksi supertietokone Fugakuun.

Yrityksen viimeaikainen tutkimus tässä alalla sisältää:

• Korkean kynnyksen ja matalan ylijäämän virheensietokykyisen kvanttimuistin.
• Maagisen tilan koodaus ylittäen rikkomattoman uskollisuuden.
• Suurten kvantti-spin- ketjujen simuloiminen pilvipohjaisilla suprajohtavilla kvanttietokoneilla.

Kirjoitushetkellä yrityksen osakkeet kauppaavat 167,36 dollarissa, 2,33 prosentin nousussa vuoden alusta, ja sen markkina-arvo on 153,73 miljardia dollaria. IBM on raportoinut liikevaihdon (TTM) 62,07 miljardia dollaria, EPS (TTM) 9,19 ja P/E (TTM) 18,22. Yritys maksaa 3,99 prosentin osingon.

Viimeisimmässä Q1 2024 taloudellisessa raportissaan IBM näki liikevaihtonsa kasvavan 1,5 prosentilla vuodentakaisesta ja vapaan rahan virtauksen olleen 1,9 miljardia dollaria. Yritys toteaa, että “vankka liikevaihdon ja vapaan rahan virtauksen kasvu” heijastaa sen pilvi- ja tekoälystrategian vahvuutta.

#2. Google

Kvanttilaskennan maailmassa Google on tehnyt edistysaskeleita Quantum AI -laboratorionsa kautta, joka työskentelee sekä laitteiston että ohjelmiston parissa. Muutama vuosi sitten osasto julkaisi Sycamoren, 53 kubitin kvanttiprosessorin. Nykyään teknologiayrityksen laitteisto keskittyy suprajohtaviin kubitteihin, kun taas sen edistynyt ohjelmistopino tutkii kvanttilaskennan voimaa.

Muutama kuukausi sitten Google julkaisi usean vuoden mittaisen, maailmanlaajuisen kilpailun löytääkseen käytännön sovellukset kvanttilaskennalle, ja palkintona on 5 miljoonaa dollaria, joka jaetaan finalistien kesken. Google totesi maaliskuussa:

“Vaikka on monia syitä olla optimistinen kvanttilaskennan potentiaalista, olemme edelleen jossain määrin pimeässä siitä, miten, milloin ja mihin reaalimaailman ongelmien ratkaisemiseen tämä teknologia osoittautuu eniten muovaavaksi.”

Yrityksen viimeaikainen tutkimus tässä alalla sisältää kvanttivirheiden torjunnan skaalautumisen pinnan koodauksella loogisella kubitilla, faasin siirtymän satunnaisten piirien näyttelemisessä ja mittauksesta johtuvan sidonnan ja teleportaation meluisalla kvanttiproessorilla.

Kirjoitushetkellä yrityksen osakkeet kauppaavat 107,48 dollarissa, 21,94 prosentin nousussa vuoden alusta, ja sen markkina-arvo on 2,12 biljoonaa dollaria. Google on raportoinut liikevaihdon (TTM) 218,14 miljardia dollaria, EPS (TTM) 6,52 ja P/E (TTM) 26/13. Yritys maksaa 0,47 prosentin osingon.

Yrityksen Q1 2024 tuloksissa se raportoi 13 prosentin kasvun liikevaihdossa 86,3 miljardiin dollariin, nettotulokseksi 20,28 miljardia dollaria ja ensimmäisen 20 dollarin osingon. Keväällä 2024 sen markkina-arvo saavutti uuden merkkipaalan, 2 biljoonan dollarin, mikä tekee siitä maailman neljänneksi arvokkaimman julkisesti noteeratun yhtiön.

Johtopäätös

On ollut kilpailu rakentaa toimiva kvanttitietokone, johon tutkijat ovat keskittyneet ymmärtämään kubitteja ja työskentelemään eri kubitti-teknologioilla. Kubitit ovat kvanttitietokoneen perusta, koska ne käsittelevät kaiken prosessoinnin, siirron ja tiedon tallentamisen. Kaikki tutkimus on tapahtunut kubittien ympärillä, mukaan lukien kaksi viimeisintä, jotka pyrkivät auttamaan toimivan kvanttitietokoneen rakentamisessa.

Klikkaa tästä listaa viidestä parhaasta kvanttilaskennan yrityksestä.