Kvanteregning ett steg nærmere virkeligheten ved å utnytte harmoniske oscillatorer

Kvanteregnerkappløpet har vært hett i noen år nå, med legemiddelforskning, materialvitenskap, optimalisering, maskinlæring og kryptografi som bare noen av områdene som vil bli revolusjonert av fremskrittene.

Men til tross for all fremdrift har bygging av kvantedatamaskiner som løser virkelige problemer blitt hemmet av tre store utfordringer: 

• Sårbare kvantetilstander
• Skalering samtidig som kontroll opprettholdes
• Bevare koherens

Nå har et team ved Chalmers University of Technology i Sverige tatt et betydelig skritt i å takle disse utfordringene og akselerere utviklingen av praktiske kvantedatamaskiner. De publiserte nylig en ny metode i tidsskriftet Nature for å manipulere kvanteinformasjon ved hjelp av justerbar ikke-linearitet i superledende kretser. Dette gjør det mulig å utføre komplekse operasjoner på flerdimensjonale kvantetilstander raskere og mer nøyaktig enn noen gang før.

Bygge praktiske kvantedatamaskiner

I kjernen av kvantedatabehandling ligger den kvantemessige biten, eller qubit, den grunnleggende enheten for kvanteinformasjon. I motsetning til klassiske bits, som enten er 0 eller 1, kan qubits være både 0 og 1 og alt imellom. Qubits kan også bli sammenfiltrede med hverandre, noe som gjør at kvantedatamaskiner kan utføre noen beregninger mye raskere enn klassiske datamaskiner.

Imidlertid har det å oppnå denne evnen vært en betydelig utfordring. En av de største problemene er sårbarheten til kvantetilstander. Qubits er følsomme for omgivelsene sine og mister raskt sine kvanteegenskaper gjennom dekoherens, noe som introduserer feil i kvanteberegningene og begrenser dybden på beregningene.

Et annet stort problem er skalering. Etter hvert som flere qubits legges til en kvanteprosessor, blir det vanskeligere å kontrollere interaksjonene mellom dem og å implementere kvanteporter. Dette skyldes at kontrollsystemene og kryssprat mellom qubits blir mer komplekse.

Og det er en avveining mellom koherens og kontrollerbarhet. Teknikker som gjør qubits mer koherente, som feilkorreksjonskoder, krever flere ressurser og begrenser noen operasjoner. Systemer som har mer kontroll over individuelle qubits, som fangede ioner eller superledende kretser, er mer støyende og mer utsatt for dekoherens.

“Tenk på en qubit som en blå lampe som, kvantemekanisk, kan være både på og av samtidig. I kontrast er et kontinuerlig variabelt kvantesystem som en uendelig regnbue, som tilbyr en sømløs fargegradient. Dette illustrerer dets evne til å få tilgang til et enormt antall tilstander, og gir langt rikere muligheter enn qubitens to tilstander.”

– Axel Eriksson, forsker i kvanteteknologi ved Chalmers University of Technology og hovedforfatter av studien

Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling. 

Justerbare ikke-lineariteter i superledende kretser

Chalmers University-teamet, ledet av Dr. Axel M. Eriksson og Simone Gasparinetti, har løst disse problemene ved å bruke superledende kretser. De har utviklet en spesiell komponent kalt en Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator.

SNAIL-er er superledende kretskomponenter med sterk, justerbar ikke-linearitet. Det er en superledende løkke med Josephson-koblinger, tynne isolerende barrierer som lar Cooper-par (bundne elektronpar) tunnelere gjennom. Ved å arrangere koblingene asymmetrisk har de laget en kretskomponent med ikke-lineær induktans.

“Vi har laget et system som utfører komplekse operasjoner på et fler-tilstands kvantesystem raskere enn noen gang før.”

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

Det viktigste teamet gjorde, var å plassere en SNAIL-resonator inne i en superledende mikrobølgekavitet, som er en bosonisk modus for koding av kvanteinformasjon. De påførte mikrobølgestråler til dette hybride systemet og aktiverte og deaktiverte ikke-lineariteten i SNAIL for å utføre alle slags kvanteoperasjoner raskt og nøyaktig.

Kontinuerlig variabel kvantedatabehandling

En av de unike tingene med Chalmers-teamets tilnærming er at den går utover qubit-paradigmet og bruker kontinuerlige variabel (CV) kvantetilstander.

I et CV-kvantesystem blir informasjon kodet i amplituden og fasekvadraturene til en harmonisk oscillator, som et mikrobølgekavitetfelt. Disse kvadraturene kan ha et kontinuerlig spekter av verdier, ikke bare 0 og 1 som qubits.

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

“Vi har skapt et system som muliggjør ekstremt komplekse operasjoner på et fler-tilstands kvantesystem, med en enestående hastighet.”

CV-tilnærmingen har fordeler over diskret variabel kvantedatabehandling. (i) For det første kan en enkelt CV-modus kode informasjon tilsvarende flere qubits, noe som betyr mindre maskinvare for feil-tolerant kvantedatabehandling. (ii) For det andre gjør bevisstheten til CV-tilstander det mulig med bedre feilkorreksjonskoder, som er nødvendige for kvantedatabehandling med støy og dekoherens.

Imidlertid er et stort problem i CV-kvantedatabehandling ikke-gaussiske operasjoner, som er nødvendige for universell kvantedatabehandling. Gaussiske operasjoner som forskyvning og komprimering av oscillator-tilstanden kan utføres med lineære optiske elementer eller mikrobølgekretser, men det er ikke nok for kvantefart fordi det kan simuleres klassisk.

Ikke-gaussiske operasjoner krever ikke-lineære interaksjoner, som er mye vanskeligere å lage og kontrollere. Tidligere forsøk på å kombinere CV-moduser med ikke-lineære elementer har blitt hindret av Kerr-effekten, som forstyrrer kvanteinformasjonen og reduserer operasjonsfideliteten.

Chalmers-teamet har løst dette ved å konstruere ikke-lineariteten inne i SNAIL-resonatoren. De opererer SNAIL ved et såkalt «Kerr-fritt» punkt, hvor den uønskede Kerr-ikke-lineariteten undertrykkes, og den tredjeordens ikke-lineariteten som trengs for ikke-gaussiske operasjoner bevares.

“Fellesskapet vårt har ofte prøvd å holde superledende elementer unna kvanteoscillatorer, for å ikke forstyrre de sårbare kvantetilstandene. I dette arbeidet har vi utfordret dette paradigmet. Ved å integrere en styringsenhet i hjertet av oscillator har vi kunnet unngå å forstyrre de mange kvantetilstandene samtidig som vi kan kontrollere og manipulere dem. Som et resultat demonstrerte vi et nytt sett av portoperasjoner utført med svært høy hastighet.”

– Simone Gasparinetti

Et universelt portsett

For å vise hva de kan, har de laget et universelt portsett på sin SNAIL-resonatorplattform. Dette inkluderer Gaussiske porter som forskyvning og komprimering samt en kubisk faseport, som er ikke-gaussisk.

De Gaussiske portene ble laget ved å påføre mikrobølgestråler ved spesifikke frekvenser til SNAIL-kretsen. Pådriving ved grunnfrekvensen gir forskyvning, og pådriving ved dobbelt så høy frekvens gir komprimering. Dette er for å forberede og manipulere koherente og komprimerte tilstander, som er byggesteinene for CV kvanteinformasjonshåndtering.

Den kubiske faseporten ble laget ved å kombinere en «triskomprimerings» interaksjon (pådriving ved tre ganger grunnfrekvensen) med pådrivinger ved lavere frekvenser. Dette påfører et ikke-lineært faseskift på oscillator-tilstanden som er proporsjonalt med amplitudens kube, derav navnet «kubisk fase».

Den kubiske faseporten er nødvendig for universell CV-kvantedatabehandling fordi den lager svært ikke-klassiske tilstander som Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP)-tilstander, som brukes til feil‑tolerant kvantefeilkorrigering. Den kubiske faseporten sammen med Gaussiske porter lager en deterministisk ikke-gaussisk tilstand kalt «kubisk fase‑tilstand».

Portene laget av Chalmers-teamet ble laget med pulser så korte som titalls nanosekunder. Det er 10–100 ganger raskere enn tidligere implementeringer med dispersive qubit‑oscillator‑koblinger. Dette skyldes den sterke ikke-lineariteten i SNAIL-resonatoren.

Deterministisk forberedelse av kubisk fase‑tilstand

Et annet eksempel er at Chalmers-teamet bruker sitt universelle portsett til å lage en svært ikke‑klassisk kvantetilstand kalt en kubisk fase‑tilstand. Kubiske fase‑tilstander er nødvendige for kvantefeilkorrigering, kvantemetrologi og CV‑målebasert kvantedatabehandling.

Forberedelse av kubisk fase‑tilstand ble gjort ved å anvende porter på grunntilstanden (vakuum) til SNAIL-resonatoren. Først ble en 20‑ns komprimeringsport påført for å lage en komprimert vakuumtilstand. Deretter ble en 40‑ns kubisk fase‑port påført den komprimerte tilstanden, og voilà, en kubisk fase‑tilstand med en kubisitet på 0,11.

Tilstanden ble karakterisert med Wigner‑tomografi, som lager en fase‑romfordeling av kvantetilstanden. Wigner‑funksjonen var sterkt negativ, noe som er ikke‑klassisk og kan ikke observeres i noen klassisk oscillator‑tilstand.

Fideliteten til den kubiske fase‑tilstanden i forhold til målt tilstand var 92 %. De viste at kubisiteten til tilstanden kan økes ved bare å forlenge varigheten av den kubiske fase‑porten. Dette er mye bedre enn tidligere metoder for tilstandsforberedelse, som krevde en full re‑optimalisering av kontrollsekvensen for hver kubisitetsverdi.

Rom for forbedring og fremtidig arbeid

Selv om det Chalmers-teamet har gjort allerede er prisverdig, er det fortsatt mer som må gjøres:

SNAIL‑resonator

En begrensning for kvanteoperasjonene er koherenstiden til SNAIL‑resonatoren. De har koherenstider på noen få mikrosekunder, noe som er tilstrekkelig for nå, men lengre koherenstider vil tillate mer komplekse og dypere kvantekretser. Å optimalisere SNAIL‑kretsparametrene for å redusere flux‑støy samt skjerming og filtrering av mikrobølge‑miljøet er måter å forbedre koherensen på.

Dette inkluderer:

• Koherenstid for SNAIL‑resonatoren (noen få mikrosekunder er nok for nå, men lengre vil tillate mer komplekse kretser)
• Optimalisering av SNAIL‑kretsparametere for å redusere flux‑støy
• Skjerming og filtrering av mikrobølge‑miljøet

Klikk her for å lære hvordan kvante‑emisjonere og infrarøde lasere kan hjelpe oss med å bygge neste generasjon kvantedatamaskiner.

Skalerbarhet

Et annet område som kan forbedres er skalerbarhet. Eksperimentet ble utført med én SNAIL, men en storskala kvantedatamaskin trenger flere SNAIL‑er. For å skalere opp kan man bruke flere SNAIL‑er, hver koblet til sin egen mikrobølgekavitet. Denne oppsettet gjør det mulig å lage fler‑qubit‑porter og sammenfiltrede tilstander ved å designe koblingen mellom kavitetene. Dette krever imidlertid kontroll over fabrikasjon og justering av SNAIL‑ene for å være homogene og reproduserbare.

• Skalerbarhet (én SNAIL nå, men en storskala kvantedatamaskin trenger flere)
• Et array av SNAIL‑er, hver med sin egen mikrobølgekavitet
• Fler‑qubit‑porter og sammenfiltrede tilstander på tvers av arrayet ved kobling mellom kavitetene
• Kontroll over fabrikasjon og justering av SNAIL‑er for å være homogene og reproduserbare

I tillegg til å skalere opp antallet CV‑moduser, må vi også skalere opp antallet fotoner i hver modus. SNAIL‑resonatorens ikke-linearitet avviker fra sin ideelle oppførsel ved høyere fotontall, noe som begrenser størrelsen på det beregningsmessige Hilbert‑rommet.

En måte å løse dette på er å bruke et multi‑SNAIL‑design hvor ikke-lineariteten til hver SNAIL er konstruert for å kansellere seg på høyere ordener samtidig som lavere‑ordens interaksjoner bevares.

Andre plausible fremskritt inkluderer:

• Flere CV‑moduser
• Flere fotoner i hver modus
• Ikke-lineariteten i SNAIL‑resonatoren gjør at den avviker fra ideell oppførsel ved høyere fotontall
• Begrenser størrelsen på det beregningsmessige Hilbert‑rommet
• Multi‑SNAIL‑design: ikke-lineariteten til hver SNAIL kanselleres på høyere ordener mens lavere‑ordens interaksjoner bevares

Fremover ønsker Chalmers-teamet å integrere sin SNAIL‑resonatorplattform med andre kvantedatabehandlingsarkitekturer for å lage hybride systemer. For eksempel kan SNAIL‑medierte interaksjoner brukes til å sammenfiltre superledende qubits og CV‑moduser for å lage komplekse fler‑qubit‑tilstander. De raske og effektive CV‑portene i dette arbeidet kan brukes til kvantefeilkorrigering på kodede qubits, og dette vil gjøre kvanteprosessorer mer robuste og skalerbare.

Et spennende utsiktsområde er å integrere SNAIL‑resonatorplattformen med optiske kvantesystemer. Superledende kretser er gode for kvantedatabehandling, som opererer ved mikrobølgefrekvenser og kryogene temperaturer. I kontrast er optiske kvantesystemer, som fungerer ved romtemperatur, ideelle for langdistanse kvantekommunikasjon. Ved å utvikle en kvante‑frekvensomformer kan vi kombinere det beste fra begge verdener for å skape en skalerbar og nettverksbasert kvantedatamaskin.

Oppsummering

Det Chalmers-teamet har oppnådd er et stort fremskritt for praktiske kvantedatamaskiner. De har brukt justerbar ikke-linearitet i superledende kretser for å utvikle en maskinvare‑effektiv og kontrollerbar kvantedatamaskin som kan utføre komplekse operasjoner på multidimensjonale kvantetilstander raskt og nøyaktig.

Dette representerer et nytt paradigme innen CV‑NISQ‑databehandling. SNAIL‑resonatorer kan løse vanskelige problemer innen kvantekjemi, optimalisering og maskinlæring. Etter hvert som denne teknologien modnes og skaleres, vil den åpne opp for applikasjoner som ikke er mulige med klassiske datamaskiner.

Imidlertid medfører bygging av storskala, feil‑tolerante kvantedatamaskiner fortsatt betydelige utfordringer, inkludert koherenstiden til superledende kretser, antallet qubits og CV‑moduser, samt grensesnittene mellom kvantedatabehandlingsplattformer.

Til tross for disse utfordringene har kvantedatabehandling som anvendt vitenskap kommet langt, og Chalmers-teamet har spilt en viktig rolle i å presse grensene. De har lagt til verktøykassen for kvantedatabehandling og vist oss nye måter å bruke kvantemekanikken på. Nå er vi ett steg nærmere tilgjengelig kvantedatabehandling.

Etter hvert som teori og eksperimenter går raskere, har fremtiden for kvantedatabehandling aldri sett bedre ut. Kvantedatamaskiner vil levere eksponentielle hastighetsgevinster for et bredt spekter av beregningsoppgaver innen felt som legemiddelforskning, materialdesign, kryptografi og kunstig intelligens. Kombinert med fremskritt innen teknologier som AI, gir disse utviklingene oss trygghet i at verden står på terskelen til transformative endringer som er vanskelige å forestille seg fullt ut.

Klikk her for en liste over de fem beste kvantedatamaskinselskapene.