Förståelse av Qubits – Genombrott inom Teleportation och Kontrollerad Interaktion

Mycket händer i världen av kvantberäkning. Chipjätten Nvidia har lanserat en öppen källkodsplattform CUDA-Q för att påskynda ansträngningar inom kvantberäkning, medan Kina har skapat sin största kvantberäkningschip. Dessutom har forskare vid University of Manchester utvecklat ultraren kisel som banar väg för nästa generations datorer.

All denna spänning och utveckling kring kvantdatorer är logisk, med tanke på att tekniken har enorm potential inom olika områden, inklusive kryptografi, läkemedelsupptäckt, lösning av komplexa optimeringsproblem, förbättring av maskinlärningsalgoritmer och mycket mer.

Kvantdatorer kan uppnå allt detta genom att dra nytta av kvantteori, som är beteendet och naturen hos materia och energi på atomära och ännu mindre subatomära nivåer. Kvantberäkning använder subatomära partiklar som fotoner och elektroner. Qubits (kvantbitar) tillåter sedan dessa partiklar att existera i flera tillstånd samtidigt och manipuleras av kontrollenheter.

För att hantera exponentiellt snabbare hastigheter än din traditionella dator samtidigt som den förbrukar mindre energi, använder kvantdatorer superposition och sammanflätning.

Superposition innebär att man adderar två eller flera kvanttillstånd för att skapa ett annat giltigt kvanttillstånd. Superpositionen av qubits tillåter kvantdatorer att bearbeta miljontals operationer samtidigt.

Sammanflätning inträffar när två system är länkade så att kunskap om tillståndet för en ger omedelbar kunskap om den andra.Detta möjliggör för kvantdatorer att lösa komplexa problem på kort tid.

Problemet här är decoherence, som är förlusten av den kvantmekaniska tillståndet i en qubit på grund av faktorer som strålning, vibration eller temperaturförändring.Detta orsakar fel i beräkningen. För att skydda qubits från störningar placeras de i vakuumkammare, isolering och superkylda kylskåp.

Som vi såg spelar qubits en avgörande roll för att göra kvantberäkning, men inte allt är känt om dem. Men två nyliga oberoende experiment har utvidgat vår förståelse av qubits, vilket markerar ett viktigt steg mot att bygga en fungerande kvantdator.

Kvantteleportation uppnådd

Ny forskning har lyckats med kvantteleportation trots allt brus som vanligtvis stör överföringen av kvanttillstånd. I teleportation överförs en qubit från en plats till en annan utan att skicka partikeln själv.

I teorin kan överföringen av kvanttillståndet göras utan något problem, men i den verkliga världen, störningar och brus försämrar kvaliteten på kvantteleportation. Så, forskarna i den senaste studien fann att att uppnå perfekt kvantteleportation trots bruset är en stor prestation.

Publicerad i tidskriften Science Advances,studien talar om hur sammanflätning och decoherence är motkrafter för många kvantprotokoll och teknologier.

Enligt forskningen, är kvantsammanflätning som uppstår i korrelationer som sträcker sig över godtyckligt långa avstånd mycket viktig för grunderna i kvantmekanik. Den har många tillämpningar inom informationsbearbetning och kommunikation. Men, interaktionerna mellan ett kvantsystem och dess omgivning är oundvikliga, och decoherence kan allvarligt försämra dessa tillämpningars prestanda.

Medan det finns många lovande decoherence-undertryckande protokoll med nyliga arbeten som utnyttjar decoherence-fria underutrymmen, dynamisk avkoppling, kvantfelkorrigerande koder, fördröjd koherent kvantåterkoppling och reservoirteknik med hjälp av auxiliära undersystem, är det extremt krävande att undvika decoherence i praktiken.

Således föreslog studien ett effektivt protokoll för kvantteleportation i absolut decoherence.

Studien, som genomfördes av forskare från University of Science and Technology of China, Hefei, och University of Turku, Finland, använde multipartit hybrid-sammanflätning mellan auxiliary-qubits och deras lokala miljöer inom den öppna kvantsystemkontexten, vilket möjliggjorde hög noggrannhet.

Enligt forskarna är linjär optik en särskilt robust plattform för att utföra olika kvantinformationsprotokoll och studera problem med decoherence.

Arbetet i denna studie, enligt Jyrki Piilo, en professor från University of Turku, utnyttjar begreppet distribuerad sammanflätning. Denna sammanflätning fördelning går utöver använda qubits och görs innan protokollet körs. Detta betyder “utnyttjande av hybrid-sammanflätning mellan olika fysiska frihetsgrader”, sa Piilo.

Traditionellt har fotonpolarisering använts för att sammanfläta qubits i teleportation. Men den nya tillvägagångssättet utnyttjar hybrid-sammanflätning mellan fotonpolarisering och frekvens.

Detta medför en stor förändring i hur brus påverkar protokollet. Upptäckten, i själva verket, “vänder rollen för bruset från att vara skadligt till att vara fördelaktigt för teleportation”, sa Piilo.

Traditionellt fungerar inte teleportationsprotokollet när det inte bara finns brus under qubit-sammanflätning, utan också när hybrid-sammanflätning finns från början utan något brus. I motsats till detta, när man har hybrid-sammanflätning och sedan lägger till brus, sker både teleportation och kvanttillståndstransfer nästan perfekt.

På detta sätt möjliggör den senaste upptäckten nästan idealisk teleportation trots bruset som är förknippat med användning av fotoner.

Forskarna kallar detta för “en betydande principiell experiment”, med Dr. Zhao-Di Liu från University of Science and Technology of China, Hefei, som noterar:

“Medan vi har gjort många experiment på olika aspekter av kvantfysik med fotoner i vårt laboratorium, var det mycket spännande och givande att se detta mycket utmanande teleportationsexperiment framgångsrikt slutfört.”

Studien noterade att, utöver att bekämpa decoherence, har hybrid-sammanflätning också hjälpt dem att lägga till ett extra lager av säkerhet. Studien angav:

“Det vore en intressant framtida forskningsinriktning att undersöka hur djupt den teleporterade informationen kan döljas.”

Det är bara början, med studien som har grundläggande betydelse för att öppna nya vägar för framtida arbete inom kvantprotokoll genom att ha denna som basforskning. Ett sätt som tekniken kan tillämpas är i tillståndstransfer utanför kvantteleportation och bortom decoherence-fria underutrymmen.

Forskningen öppnar också möjligheten att se om decoherence kan vändas i andra fysiska plattformar, inklusive olika källor till brus.

Klicka här för att lära dig om den nuvarande tillståndet för kvantberäkning.

Realiserande av en två-qubit-grind i en konventionell kisels-transistor

Den andra studien, som genomfördes av forskare från Schweiz äldsta universitet, University of Basel, i samarbete med dem från The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN,gjorde ett genombrott genom att få en kontrollerbar interaktion mellan två hål-spinn-qubits i en traditionell kisels-transistor.

Publicerad i Nature, studien, som fick öppen tillgänglig finansiering från University of Basel, noterade att halvledar-spinn-qubits erbjuder potentialen att använda industriell transistor-teknik för att producera storskaliga kvantdatorer.

För att en kvantdator ska kunna utföra beräkningar, behöver den “kvantgrindar”, som är operationer som manipulerar qubits och kopplar dem till varandra. Forskarna i den senaste studien kunde inte bara koppla två qubits, utan också framkalla en kontrollerad flip av en av deras spinn, som beror på den andra spinnets tillstånd. Kopplingen beror på utbytesinteraktionen av de två spinn-qubits.

“Hålspinn tillåter oss att skapa två-qubit-grindar som är både snabba och högprecisa. Denna princip gör det nu också möjligt att koppla ett större antal qubitpar.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forskare har redan visat för ett par år sedan att hålspinn i en befintlig elektronisk enhet och kan fängslas och användas som qubits. Nu ledde Kuhlmann det här teamet av Basel-fysiker till framgång i att förverkliga en interaktion mellan två qubits som kan kontrolleras.

Medan qubits i fråga har nytta av att vara elektriskt kontrollerbara och ha sötfläckar för att negera laddning och brus, har det varit utmanande att demonstrera en två-qubit-interaktion.

En saknad faktor, enligt studien, har varit förståelsen av utbyteskoppling under en stark spinn-bana-interaktion. För att ta itu med detta, forskade vetenskapsmännen om två hål-spinn-qubits i en kisels-“FinFETs” eller fin-fält-effekttransistor. Spinn-bana-koppling betyder att ett håls spinn-tillstånd påverkas av dess rörelse genom rummet.

Således ses halvledar-kvantprick-qubit-spinn som de mest lämpliga för framtida implementationer av storskaliga kvantkretsar. Men, även den mest avancerade spinnbaserade kvantprocessorn tillåter för närvarande universell kontroll av sex elektronspinn-qubits i kisel (Si). Detta följs nära av en fyra-qubit-demonstration med hål i germanium.

För studien använde forskarna en qubit som använder spinn av en elektron eller ett hål. Både elektroner och hål spinner och antar antingen upp- eller nedtillstånd.

Hålspinn, jämfört med elektronspinn, kan kontrolleras fullständigt elektriskt utan behov av orbital degeneracy eller ytterligare komponenter som på-chip-mikromagneter, som lägger till komplexitet i ekvationen. Detta beror på deras intrinsic spinn-bana-interaktion (SOI). Hål har också nytta av minskad hyperfin-interaktion och frånvaro av en dal.

Således demonstrerar studien förmågan att elektriskt kontrollera utbytet och utföra en villkorlig spinn-flip på 24 ns. Utbytes-Hamiltonian har inte längre Heisenberg-formen och kan konstrueras för att möjliggöra två-qubit-kontrollerade rotationsgrindar utan att offra hastighet för noggrannhet eller vice versa. Enligt forskningen:

“Detta ideala beteende gäller över ett brett område av magnetfältsorienteringar, vilket gör konceptet robustt med avseende på variationer från qubit till qubit, vilket indikerar att det är en lämplig metod för att förverkliga en storskalig kvantdator.”

Denna studie föreslår potentialen för att ordna miljontals hål-spinn-qubits på bara en chip. Dess tillvägagångssätt visar också stor potential för utvecklingen av en storskalig kvantdator.

Framtida förbättringar i enhets-tillverkning krävs för att minska variabilitet. När de kombineras med robust kontrollerad rotation (CROT) sötfläckar, kommer dessa framsteg att göra två-qubit-grind-operationer med anisotrop utbyte mycket attraktiva för storskaliga qubit-array.

Forskningen kan, om den kombineras med snabb läsning och drift över 1 K, tillåta FinFET att användas som en universell kvantprocessor arrangerad på en chip som används i klassisk kontroll-elektronik.

Företag involverade i utvecklingen av kvantdatorer

Nu, låt oss ta en titt på företag som aktivt arbetar med kvantdatorer:

#1. IBM

IBM har lett kvantberäkningsforskning i många år och utvecklat IBM Q System One, den första krets-baserade kommersiella kvantdatorn. Företaget tillhandahåller tillgång till sina kvantsystem genom IBM Quantum Experience-plattformen.

Tidigare den här månaden avslöjade IBM sin 1 000+ qubit-kvantprocessor Condor och dess utility-skala processor IBM Quantum Heron med 133 qubits. Det meddelade också lanseringen av en modulär kvantdator, Quantum System Two. Samtidigt som det genom programvarustacken Qiskit syftar IBM till att göra utvecklingen av kvantberäkning allmänt tillgänglig.

I år meddelade det japanska nationella forskningslaboratoriet RIKEN att det kommer att distribuera IBMs kvantprocessor och kvantdatorarkitektur för integration med superdatorn Fugaku.

Företagets senaste forskning i området inkluderar:

• Högtröskel- och lågöverhets-fel-tolerant kvantminne.
• Kodning av en magisk tillstånd med bortom-break-even trohet.
• Simulering av stora storleks kvant-spinn-kedjor på molnbaserade superledande kvantdatorer.

Vid tidpunkten för skrivande handlas företagets aktier för 167,36 USD, upp 2,33 % YTD, medan dess marknadsvärde är 153,73 miljarder USD. IBM har rapporterat intäkter (TTM) på 62,07 miljarder USD, EPS (TTM) på 9,19 och P/E (TTM) på 18,22. Utdelningsutdelningen är 3,99 %.

Under sin senaste Q1 2024-finansiella rapportering såg IBM en intäktsökning på 1,5 % YoY under kvartalet till 14,5 miljarder USD och ett fritt kassaflöde på 1,9 miljarder USD. Företaget noterar att dess “solida intäkts- och fritt kassaflödes-tillväxt” speglar styrkan i dess moln- och AI-strategi.

#2. Google

I världen av kvantberäkning har Google gjort framsteg med sin Quantum AI-labb, som arbetar med både hårdvara och programvara. För några år sedan lanserade avdelningen Sycamore, en 53-qubit-kvantprocessor. För närvarande fokuserar tech-jättens hårdvara på superledande qubits medan dess avancerade programvarustack utforskar kraften i kvantberäkning.

För några månader sedan lanserade Google en flerårig, global tävling för att hitta verkliga användningsfall för kvantberäkning med en prissumma på 5 miljoner USD, som kommer att delas bland finalisterna. Google noterade i mars:

“Medan det finns många skäl att vara optimistisk om potentialen för kvantberäkning, är vi fortfarande något i mörkret om den fulla omfattningen av hur, när och för vilka verkliga problem denna teknik kommer att visa sig mest transformerande.”

Företagets senaste forskning i detta område inkluderar:

Vid tidpunkten för skrivande handlas företagets aktier för 107,48 USD, upp 21,94 % YTD, medan dess marknadsvärde är 2,12 biljoner USD. Google har rapporterat intäkter (TTM) på 218,14 miljarder USD, medan EPS (TTM) är 6,52 och P/E (TTM) är 26/13. Det betalar en utdelningsutdelning på 0,47 %.

För sin Q1 2024-vinst rapporterade företaget en 13 % ökning av intäkterna till 86,3 miljarder USD, ett nettoresultat på 20,28 miljarder USD och den första någonsin 20 USD per aktie i utdelning. På våren 2024 nådde dess marknadsvärde en ny milstolpe på 2 biljoner USD, vilket gjorde det till världens fjärde mest värdefulla företag.

Slutsats

Det har varit en kapplöpning för att bygga en fungerande kvantdator, för vilken forskare fokuserar på att förstå qubits och arbeta med olika qubit-teknologier. Qubits är grunden för kvantdatorn eftersom de hanterar all bearbetning, överföring och lagring av data. Därför har all forskning skett kring qubits, inklusive de två senaste som täcks här, som syftar till att hjälpa till att bygga en praktisk kvantdator.

Klicka här för listan över de fem bästa kvantberäkningsföretagen.