Forstå Qubitene – Gjennombrudd innen Teleportasjon og Kontrollert Interaksjon

Mye skjer i kvantedataverdenen. Chipgiganten Nvidia (NVDA ) har lansert en åpen kildekode CUDA-Q-plattform for å akselerere kvantedatainnsatser, mens Kina har laget sin største kvantedatabrikke. Så er det forskere ved University of Manchester som har utviklet ultra-ren silisium som baner vei for neste generasjons datamaskiner.

All denne spenningen og utviklingen rundt kvantedatamaskiner gir mening, ettersom teknologien har enormt potensial på tvers av ulike felt, inkludert kryptografi, legemiddelforskning, løsning av komplekse optimaliseringsproblemer, forbedring av maskinlæringsalgoritmer, og mye mer.

Kvantedatamaskiner kan oppnå alt dette ved å utnytte kvanteteorien, som beskriver oppførselen og naturen til materie og energi på atomnivå og enda mindre subatomiske nivåer. Kvantedatabehandling bruker subatomiske partikler som fotoner og elektroner. Qubitene (kvantebiter) gjør at disse partiklene kan eksistere i flere tilstander samtidig og blir manipulert av kontrollenheter.

For å håndtere eksponentielt raskere hastigheter enn din tradisjonelle datamaskin samtidig som de bruker mindre energi, bruker kvantedatamaskiner superposisjon og sammenfiltring.

Superposisjon innebærer å legge sammen to eller flere kvantetilstander for å skape enda en gyldig kvantetilstand. Superposisjonen av qubiter gjør at kvantedatamaskiner kan behandle millioner av operasjoner samtidig.

Sammenfiltring oppstår når to systemer er koblet slik at kunnskap om den ene gir umiddelbar kunnskap om den andre. Dette gjør at kvantedatamaskiner kan løse komplekse problemer raskt.

Problemet her er decoherens, som er tapet av kvantetilstanden i en qubit på grunn av faktorer som stråling, vibrasjon eller temperaturendring. Dette forårsaker feil i beregning. For å beskytte qubiter mot interferens, blir de plassert i vakuumkamre, isolasjon og superkjølte kjøleskap.

Som vi så, spiller qubiter en kritisk rolle i å lage kvantedatabehandling, men ikke alt er kjent om dem. Imidlertid har to nylige uavhengige eksperimenter utvidet vår forståelse av qubiter, noe som markerer et viktig steg mot å bygge en funksjonell kvantedatamaskin.

Kvanteteleportasjon Oppnådd

Ny forskning har med suksess oppnådd kvanteteleportasjon til tross for all støy som vanligvis forstyrrer overføringen av kvantetilstanden. Ved teleportasjon overføres en qubit fra ett sted til et annet uten å sende selve partikkelen. 

I teorien, kan overføringen av kvantetilstanden gjøres uten problemer, men i den virkelige verden forringer forstyrrelser og støy kvaliteten på kvanteteleportasjon. Så fant forskerne i den siste studien at å oppnå perfekt kvanteteleportasjon til tross for støy er en stor prestasjon.

Publisert i tidsskriftet Science Advances, studie diskuterer hvordan sammenfiltring og decoherens er motkrefter i mange kvanteprotokoller og -teknologier. 

I følge forskningen er kvantesammenfiltring som oppstår i korrelasjoner som spenner over vilkårlig lange avstander, svært viktig for grunnlaget i kvantemekanikken. Den har mange anvendelser innen informasjonsbehandling og kommunikasjon. Imidlertid er interaksjonene mellom et kvantesystem og dets miljø uunngåelige, og decoherens kan sterkt forringe ytelsen til disse anvendelsene.

Selv om det finnes mange lovende protokoller for å undertrykke decoherens med nyere arbeider som utnytter decoherens-frie delrom, dynamisk frakobling, kvantefeilkorrigerende koder, forsinket koherent kvantefeedback, og reservoarengineering med hjelpesystemer, er det ekstremt krevende i praksis å unngå decoherens.

Dermed foreslo studien en effektiv protokoll for kvanteteleportasjon i absolutt decoherens. 

Studien utført av forskere fra University of Science and Technology of China i Hefei og University of Turku i Finland brukte multipartitt hybrid-sammenfiltring mellom de hjelpesystemene qubitene og deres lokale miljøer innenfor konteksten av åpne kvantesystemer, noe som gjorde det mulig å oppnå høy nøyaktighet.

Ifølge forskerne er lineær optikk en spesielt robust plattform for å utføre ulike kvanteinformasjonprotokoller og studere problemer med decoherens. 

Arbeidet i denne studien, ifølge Jyrki Piilo, professor ved University of Turku, benytter begrepet distribuert sammenfiltring. Denne sammenfiltringsdistribusjonen går utover brukte qubiter og gjøres før protokollen settes i gang. Dette betyr “å utnytte den hybride sammenfiltringen mellom ulike fysiske frihetsgrader,” sa Piilo.

Tradisjonelt har fotonpolarisasjon blitt brukt til å sammenfiltre qubiter i teleportasjon. Den nye tilnærmingen utnytter den hybride sammenfiltringen mellom fotonpolarisasjon og frekvens.

Dette medfører en stor endring i hvordan støy påvirker protokollen. Oppdagelsen, faktisk, “snur rollen til støy fra å være skadelig til å være gunstig for teleportasjon,” uttalte Piilo.

Tradisjonelt fungerer ikke teleportasjonsprotokollen når det ikke bare er støy under qubit-sammenfiltring, men også når hybrid-sammenfiltring er tilstede fra starten uten noen støy. I motsetning til dette, når man har hybrid-sammenfiltring og deretter legger til støy, skjer både teleportasjonen og overføringen av kvantetilstanden nesten perfekt.

På denne måten gjør den siste oppdagelsen det mulig med nesten ideell teleportasjon til tross for støyen som er forbundet med bruk av fotoner.

Forskerne kaller dette et “betydelig bevis‑på‑prinsipp‑eksperiment,” med Dr. Zhao‑Di Liu fra University of Science and Technology of China i Hefei som bemerker:

“Selv om vi har gjort tallrike eksperimenter på ulike aspekter av kvantefysikk med fotoner i vårt laboratorium, var det svært spennende og givende å se dette svært utfordrende teleportasjonseksperimentet vellykket fullført.”

Studien bemerket at i tillegg til å bekjempe decoherens, har hybrid-sammenfiltring også hjulpet dem med å tilføre et ekstra sikkerhetslag. Studien uttalte:

“Det ville vært en interessant retning for fremtidig forskning å undersøke hvor dypt den teleporterte informasjonen kan skjules.”

Dette er bare begynnelsen, med studien som har grunnleggende betydning for å åpne nye veier for fremtidig arbeid med kvanteprotokoller ved å ha dette som en basisforskning. En måte teknikken kan anvendes på er i tilstandsoverføring utenfor kvanteteleportasjon og utover decoherens-frie delrom.

Forskningen åpner også muligheten for å se om decoherens kan omvendt i andre fysiske plattformer, inkludert ulike kilder til støy.

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

Realiserer en To-Qubit Gate i en Konvensjonell Silisiumtransistor

Den andre studien, som ble utført av forskere fra Sveits’ eldste universitet, University of Basel, i samarbeid med de fra The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, gjorde et gjennombrudd ved å oppnå en kontrollerbar interaksjon mellom to hullspinn-qubiter i en tradisjonell silisiumtransistor. 

Publisert i Nature, studien, som mottok åpen tilgang-finansiering fra University of Basel, bemerket at halvleder‑spinnqubiter gir potensialet til å bruke industriell transistor‑teknologi for å produsere kvantedatamaskiner i stor skala. 

For at en kvantedatamaskin skal utføre beregninger, trenger den “kvanteporter,” som er operasjoner som manipulerer qubitene og kobler dem sammen. Forskerne i den siste studien klarte ikke bare å koble to qubiter, men også å fremkalle en kontrollert flip av en av deres spinn, som avhenger av den andre spinnets tilstand. Koblingen avhenger av utvekslingsinteraksjonen mellom de to spinnqubitene.

“Hullspinn gjør det mulig for oss å lage to-qubit-porter som både er raske og har høy pålitelighet. Dette prinsippet gjør nå også det mulig å koble et større antall qubit-par.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forskere har allerede for noen år siden vist at hullspinn i en eksisterende elektronisk enhet kan fanges og brukes som qubiter. Nå ledet Kuhlmann dette teamet av Basel-fysikere til suksess i å realisere en interaksjon mellom to qubiter som kan kontrolleres.

Selv om de aktuelle qubitene drar nytte av å være elektrisk kontrollerbare og ha søte punkter for å nøytralisere ladning og støy, har demonstrasjon av en to-qubit-interaksjon vært utfordrende.

En manglende faktor, ifølge studien, har vært forståelsen av utvekslingskobling under en sterk spin‑orbital interaksjon. For å adressere dette, undersøkte forskerne to hull‑spinn‑qubiter i en silisium‑”FinFET” eller fin‑felt‑effekt‑transistor. Spin‑orbital kobling betyr at et huls spinn‑tilstand påvirkes av bevegelsen gjennom rommet.

Dermed anses halvleder‑kvante‑dot (QD) spin‑qubiter som de mest egnede for fremtidige implementeringer av storskala kvantekretser. Imidlertid tillater selv den mest avanserte spin‑baserte kvanteprosessoren i dag universell kontroll av seks elektron‑spin‑qubiter i silisium (Si). Dette blir tett fulgt av en fire‑qubit‑demonstrasjon med hull i germanium. 

For studien brukte forskerne en qubit som bruker spinnet til en elektron eller et hull. Både elektroner og hull spinnes og antar enten opp‑ eller ned‑tilstand. 

Hullspinn, sammenlignet med elektronspinn, kan kontrolleres fullstendig elektrisk uten behov for orbital degenerasjon eller ekstra komponenter som mikromagneter på chip, som tilfører kompleksitet. Dette skyldes deres iboende spin‑orbital interaksjon (SOI). Hull får også fordel av redusert hyperfin interaksjon og fraværet av en dal.

Dermed demonstrerer studien evnen til å elektrisk kontrollere utvekslingen og utføre en betinget spin‑flip på 24 ns. Utvekslings‑Hamiltonian har ikke lenger Heisenberg‑formen og kan konstrueres for å muliggjøre to‑qubit‑kontrollerte rotasjonsporter uten å ofre hastighet for nøyaktighet eller omvendt. Ifølge forskningen:

“Denne ideelle oppførselen gjelder over et bredt spekter av magnetfelt‑orienteringer, noe som gjør konseptet robust med hensyn til variasjoner fra qubit til qubit, og indikerer at det er en egnet tilnærming for å realisere en storskala kvantedatamaskin.”

Denne studien antyder potensialet for å arrangere millioner av hull‑spinn‑qubiter på kun én chip. Tilnærmingen viser også stor mulighet for utviklingen av en storskala kvantedatamaskin.

Fremtidige forbedringer i enhetsfremstilling er nødvendige for å redusere variabilitet. Når de kombineres med robuste kontrollerte rotasjons‑ (CROT) søte punkter, vil disse fremskrittene “gjøre to‑qubit‑gate‑operasjoner med anisotrop utveksling svært attraktive for storskala qubit‑arrayer.”

Forskningsfremskrittene, hvis de kombineres med rask avlesning og drift over 1 K, kan tillate FinFET å bli brukt som en universell kvanteprosessor arrangert på en chip brukt i klassisk kontroll‑elektronikk.

Selskaper Involvert i Utviklingen av Kvantedatamaskiner

La oss nå se på selskaper som aktivt jobber med kvantedatamaskiner:

#1. IBM

IBM har ledet forskning på kvantedatabehandling i mange år og utviklet IBM Q System One, den første krets‑baserte kommersielle kvantedatamaskinen. Selskapet gir tilgang til sine kvantesystemer gjennom IBM Quantum Experience‑plattformen. 

Tidligere denne måneden avduket IBM sin 1 000+ qubit kvanteprosessor Condor og sin nytte‑skala prosessor IBM Quantum Heron med 133 qubiter. Den kunngjorde også lanseringen av en modulær kvantedatamaskin, Quantum System Two. I mellomtiden, gjennom programvare‑stakken Qiskit, har IBM som mål å gjøre utviklingen av kvantedatabehandling bredt tilgjengelig.

I år kunngjorde det japanske nasjonale forskningslaboratoriet RIKEN at de vil implementere IBMs kvanteprosessor og kvante‑datamaskin‑arkitektur for integrasjon med superdatamaskinen Fugaku. 

Den selskapets nylige forskning i feltet inkluderer:

• Høyt terskel- og lav‑overhead feil‑tolerant kvante‑minne.
• Koding av en magisk tilstand med over‑break‑even‑fidelitet.
• Simulering av store kvante‑spinkjeder på sky‑baserte superledende kvantedatamaskiner.

På tidspunktet for skrivingen handles selskapets aksjer til $167,36, opp 2,33 % YTD, mens markedsverdien er $153,73 mrd. IBM har rapportert inntekt (TTM) på $62,07 mrd, EPS (TTM) på 9,19, og P/E (TTM) på 18,22. Utbytteavkastningen er 3,99 %.

Under sin nylige Q1 2024‑finansrapportering så IBM en inntektsøkning på 1,5 % YoY i kvartalet til $14,5 mrd og fri kontantstrøm på $1,9 mrd. Selskapet bemerker at deres “solide inntekts‑ og fri kontantstrøm‑vekst” reflekterer styrken i deres sky‑ og AI‑strategi.

#2. Google 

I kvantedataverdenen har Google gjort fremskritt med sitt Quantum AI‑laboratorium, som arbeider med både maskinvare og programvare. For noen år siden lanserte avdelingen Sycamore, en 53‑qubit kvanteprosessor. For tiden er teknologigigantens maskinvare fokusert på superledende qubiter mens deres avanserte programvare‑stack utforsker kraften i kvantedatabehandling. 

For et par måneder siden lanserte Google en flerårig, global konkurranse for å finne virkelige bruksområder for kvantedatabehandling med en premie på $5 millioner, som vil bli delt blant finalistene. Google bemerket i mars:

“Selv om det er mange grunner til å være optimistisk om potensialet til kvantedatabehandling, er vi fortsatt noe i mørket om hele omfanget av hvordan, når og for hvilke virkelige problemer denne teknologien vil vise seg mest transformerende.”

Selskapets nylige forskning innen dette feltet inkluderer undertrykkelse av kvantefeil ved skalering av en surface‑code logisk qubit, faseovergang i tilfeldig krets‑sampling, og målings‑indusert sammenfiltring og teleportasjon på en støyende kvanteprosessor.

På tidspunktet for skrivingen handles selskapets aksjer til $107,48, opp 21,94 % YTD, mens markedsverdien er $2,12 billioner. Google har rapportert en inntekt (TTM) på $218,14 mrd og en EPS (TTM) på 6,52 samt en P/E (TTM) på 26/13. De betaler en utbytteavkastning på 0,47 %.

For sine 1Q24‑resultater rapporterte selskapet en 13 % økning i inntekt til $86,3 mrd, nettoresultat på $20,28 mrd, og den første noensinne $20 per aksje‑utbytte. I våren 2024 nådde markedsverdien deres en ny milepæl på $2 billioner, noe som gjør dem til verdens fjerde mest verdifulle børsnoterte selskap.

Konklusjon

Det har vært et kappløp om å bygge en funksjonell kvantedatamaskin, for hvilken forskere er fokusert på å forstå qubiter og arbeide med ulike qubit‑teknologier. Qubiter er grunnlaget for kvantedatamaskinen da de håndterer all prosessering, overføring og lagring av data. Derfor har all forskning dreid seg om qubiter, inkludert de to siste som er dekket her, som har som mål å hjelpe i byggingen av en praktisk kvantedatamaskin.

Klikk her for listen over de fem beste kvantedatabehandlingsselskapene.