Förstå Qubits – Genombrott inom Teleportering och Kontrollerad Interaktion

Det händer mycket i kvantdatorvärlden. Chipjätten Nvidia (NVDA ) har lanserat en öppen källkodsplattform, CUDA‑Q, för att påskynda kvantdatorinsatser, medan Kina har skapat sitt största kvantdatorchip. Dessutom finns forskare vid University of Manchester som har utvecklat ultra‑ren kisel som banar väg för nästa generations datorer.

All denna spänning och utveckling kring kvantdatorer är begriplig, eftersom teknologin har enorm potential inom olika områden, inklusive kryptografi, läkemedelsupptäckt, lösning av komplexa optimeringsproblem, förbättring av maskininlärningsalgoritmer och mycket mer.

Kvantdatorer kan uppnå allt detta genom att utnyttja kvantteorin, som beskriver materiens och energins beteende på atomnivå och ännu mindre subatomära nivåer. Kvantdatorer använder subatomära partiklar såsom fotoner och elektronik. Qubits (kvantbitar) gör det möjligt för dessa partiklar att existera i flera tillstånd samtidigt och manipuleras av styrsystem.

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

Superposition innebär att lägga ihop två eller fler kvanttillstånd för att skapa ett ytterligare giltigt kvanttillstånd. Superpositionen av qubits gör det möjligt för kvantdatorer att bearbeta miljontals operationer samtidigt.

Intrassling uppstår när två system är kopplade så att kunskap om det ena systemets tillstånd ger omedelbar kunskap om det andra. Detta möjliggör för kvantdatorer att lösa komplexa problem snabbt.

Problemet här är decoherens, vilket är förlusten av kvanttillståndet i en qubit på grund av faktorer som strålning, vibration eller temperaturförändring. Detta orsakar fel i beräkningarna. För att skydda qubits från störningar placeras de i vakuumkammare, isolering och superkylda kylskåp.

Som vi såg spelar qubits en avgörande roll för att möjliggöra kvantdatorer, men inte allt är känt om dem. Dock har två nyligen genomförda oberoende experiment utökat vår förståelse av qubits, vilket markerar ett viktigt steg mot att bygga en funktionell kvantdator.

Kvantteleportering Uppnådd

Ny forskning har framgångsrikt uppnått kvantteleportering trots allt brus som vanligtvis stör överföringen av kvanttillståndet. Vid teleportering överförs en qubit från en plats till en annan utan att själva partikeln skickas.

I teorin kan överföringen av kvanttillståndet ske utan problem, men i verkligheten försämras kvaliteten på kvantteleportering av störningar och brus. Så forskarna i den senaste studien fann att det är en stor prestation att uppnå perfekt kvantteleportering trots bruset.

Publicerad i tidskriften Science Advances diskuterar studie hur intrassling och decoherens är motkrafter mot många kvantprotokoll och -teknologier.

Enligt forskningen är kvantintrasling som uppstår i korrelationer som sträcker sig över godtyckligt långa avstånd mycket betydelsefull för grunderna i kvantmekanik. Den har många tillämpningar inom informationsbehandling och kommunikation. Emellertid är interaktionerna mellan ett kvantsystem och dess omgivning oundvikliga, och decoherens kan kraftigt försämra prestandan för dessa tillämpningar.

Även om det finns många lovande protokoll för att undertrycka decoherens, med senaste arbeten som utnyttjar decoherensfria delrum, dynamisk koppling, kvantfelkorrigerande koder, fördröjd koherent kvantåterkoppling och reservoar‑engineering med hjälpsystem, är det extremt krävande i praktiken att undvika decoherens.

Som sådan föreslog studien ett effektivt protokoll för kvantteleportering i absolut decoherens.

Studien, som utfördes av forskare från University of Science and Technology of China i Hefei och University of Turku i Finland, använde multipartit hybridintrassling mellan de hjälpsamma qubits och deras lokala miljöer inom ramen för ett öppet kvantsystem, vilket möjliggjorde hög noggrannhet.

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

Arbetet i denna studie, enligt Jyrki Piilo, professor vid University of Turku, använder begreppet distribuerad intrassling. Denna intrasslingsdistribution går bortom de använda qubits och utförs innan protokollet körs. Detta betyder ”att utnyttja den hybrida intrasslingen mellan olika fysiska frihetsgrader”, sade Piilo.

Traditionellt har fotonpolarisation använts för att intrassla qubits i teleportering. Den nya metoden utnyttjar dock den hybrida intrasslingen mellan fotonpolarisation och frekvens.

Detta medför en stor förändring i hur brus påverkar protokollet. Upptäckten, faktiskt, ”vänder på bruset roll från att vara skadligt till att vara fördelaktigt för teleportering”, sade Piilo.

Traditionellt fungerar inte teleportationsprotokollet när det inte bara finns brus under qubitintrassling utan också när hybridintrassling finns från början utan något brus. I motsats till detta, när man har hybridintrassling och sedan lägger till brus, sker både teleporteringen och kvanttillståndsöverföringen nästan perfekt.

På så sätt möjliggör den senaste upptäckten nästan idealisk teleportering trots det brus som är förknippat med användning av fotoner.

Forskarna kallar detta ett ”betydande proof‑of‑principle‑experiment”, med Dr. Zhao‑Di Liu från University of Science and Technology of China i 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 förutom att bekämpa decoherens har hybridintrassling också hjälpt dem att tillföra ett ytterligare säkerhetslager. Studien angav:

Det skulle vara en intressant framtida forskningslinje att undersöka hur djupt den teleportade informationen kan döljas.

Det är bara början, då studien har grundläggande betydelse för att öppna nya vägar för framtida arbete med kvantprotokoll genom att ha detta som grundforskning. Ett sätt som tekniken kan tillämpas på är i tillståndsöverföring utanför kvantteleportering och bortom decoherensfria delrum.

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

Klicka här för att lära dig om den nuvarande statusen för kvantdatorer.

Realisering av en två‑qubit‑gate i en konventionell kiseltransistor

Den andra studien, som utfördes av forskare från Schweiz äldsta universitet, University of Basel, i samarbete med forskare från The National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN, gjorde ett genombrott genom att få en kontrollerbar interaktion mellan två hålspinn‑qubits i en traditionell kiseltransistor.

Publicerad i Nature, noterade studien, som fick öppet tillgänglig finansiering från University of Basel, att halvledar‑spinn‑qubits har potential att utnyttja industriell transistor‑teknik för att producera storskaliga kvantdatorer.

För att en kvantdator ska kunna utföra beräkningar behövs ”kvantgate”, vilka är operationer som manipulerar qubits och kopplar dem till varandra. Forskarna i den senaste studien lyckades inte bara koppla två qubits utan också åstadkomma en kontrollerad vändning av en av deras spinn, som beror på den andra spinnets tillstånd. Kopplingen beror på utbytet av interaktion mellan de två spinn‑qubits.

Hålsppinn gör det möjligt för oss att skapa två‑qubit‑gate som både är snabba och har hög precision. Detta princip möjliggör nu även att koppla ett större antal qubit‑par.

– Dr. Andreas Kuhlmann

Forskare har redan för ett par år sedan visat att hålspinn i en befintlig elektronisk enhet kan fångas och användas som qubits. Nu ledde Kuhlmann detta team av Basel‑fysiker till framgång i att realisera en interaktion mellan två qubits som kan kontrolleras.

Medan de aktuella qubitsna drar nytta av att vara elektriskt kontrollerbara och ha så kallade sweet spots för att neutralisera laddning och brus, har det varit en utmaning att demonstrera en två‑qubit‑interaktion.

En sak som saknades, enligt studien, har varit förståelsen av utbyteskopplingen under en stark spinn‑orbital interaktion. För att adressera detta undersökte forskarna två hål‑spinn‑qubits i en kisel‑”FinFET” eller fin‑fält‑effekt‑transistor. Spinn‑orbital koppling innebär att ett håls spinn‑tillstånd påverkas av dess rörelse genom rymden.

Således ses halvledar‑kvantdot (QD) spinn‑qubits som de mest lämpliga för framtida implementeringar av storskaliga kvantkretsar. Ändå tillåter den mest avancerade spinn‑baserade kvantprocessorn för närvarande universell kontroll av sex elektron‑spinn‑qubits i kisel (Si). Detta följs nära av en demonstration med fyra qubits med hål i germanium.

För studien använde forskarna en qubit som använder spinnet hos en elektron eller ett hål. Både elektroner och hål spinnar och antar antingen upp‑ eller ned‑tillstånd.

Hålsppinn, jämfört med elektronspinn, kan kontrolleras helt elektriskt utan behov av orbital degenerering eller extra komponenter som on‑chip‑mikromagneter, vilka ökar komplexiteten. Detta beror på deras inneboende spinn‑orbital interaktion (SOI). Hål drar dessutom nytta av minskad hyperfin interaktion och avsaknad av ett dalområde.

På så sätt visar studien förmågan att elektriskt kontrollera utbytet och utföra en villkorlig spinn‑vändning på 24 ns. Utbytes‑Hamiltonianen har inte längre Heisenberg‑formen och kan konstrueras för att möjliggöra två‑qubit‑styrda rotationsgate utan att offra hastighet för noggrannhet eller tvärtom. Enligt forskningen:

Detta ideala beteende gäller över ett brett spektrum av magnetfältorienteringar, vilket gör konceptet robust mot variationer från qubit till qubit, och indikerar att det är ett lämpligt tillvägagångssätt för att realisera en storskalig kvantdator.

Denna studie antyder potentialen att arrangera miljontals hål‑spinn‑qubits på bara ett chip. Dess tillvägagångssätt visar också stor möjlighet för utvecklingen av en storskalig kvantdator.

Framtida förbättringar i enhetsfabricering krävs för att minska variabiliteten. När de kombineras med robusta styrda rotations‑ (CROT) sweet spots, kommer dessa framsteg ”att göra två‑qubit‑gate‑operationer med anisotropiskt utbyte mycket attraktiva för storskaliga qubit‑arrayer.”

Forskningsframstegen, om de kombineras med snabb avläsning och drift över 1 K, kan möjliggöra att FinFET används som en universell kvantprocessor arrangerad på ett chip som används i klassisk styr‑elektronik.

Företag Involverade i Utvecklingen av Kvantdatorer

Låt oss nu titta på företag som aktivt arbetar med kvantdatorer:

#1. IBM

IBM har lett forskning inom kvantdatorer i många år och utvecklat IBM Q System One, den första kretsbaserade kommersiella kvantdatorn. Företaget erbjuder åtkomst till sina kvantsystem via plattformen IBM Quantum Experience.

Tidigare i månaden presenterade IBM sin kvantprocessor Condor med över 1 000 qubits och sin nytta‑skala processor IBM Quantum Heron med 133 qubits. De tillkännagav också lanseringen av en modulär kvantdator, Quantum System Two. Samtidigt strävar IBM, genom mjukvarustacken Qiskit, efter att göra utvecklingen av kvantdatorer brett tillgänglig.

I år meddelade den japanska nationella forskningslaboratoriet RIKEN att de kommer att implementera IBMs kvantprocessor och kvantdatorarkitektur för integration med superdatorn Fugaku.

Företagets senaste forskning inom området inkluderar:

• Högtröskel- och låg‑overhead fel‑tolerant kvantminne.
• Kodning av ett magiskt tillstånd med en fidelity som överstiger brytpunkten.
• Simulering av stora kvant‑spinkedjor på molnbaserade supraledande kvantdatorer.

Vid skrivandet handlas företagets aktier till $167,36, upp 2,33 % YTD, medan dess marknadsvärde är $153,73 bn. IBM har rapporterat intäkter (TTM) på $62,07 bn, EPS (TTM) på 9,19 och P/E (TTM) på 18,22. Utdelningsavkastningen är 3,99 %.

Under sin senaste Q1‑2024‑finansiella rapport såg IBM en intäktsökning med 1,5 % YoY under kvartalet till $14,5 bn och fritt kassaflöde på $1,9 bn. Företaget noterar att dess ”solida intäkts‑ och fria kassaflödesökning” speglar styrkan i dess moln‑ och AI‑strategi.

#2. Google 

I kvantdatorvärlden har Google gjort framsteg med sitt Quantum AI‑lab, som arbetar med både hårdvara och mjukvara. För några år sedan lanserade avdelningen Sycamore, en 53‑qubit‑kvantprocessor. För närvarande fokuserar teknikjättens hårdvara på supraledande qubits medan dess avancerade mjukvarustack utforskar kraften i kvantdatorer.

För ett par månader sedan startade Google en flerårig, global tävling för att hitta verkliga användningsfall för kvantdatorer med ett pris på $5 miljoner, som kommer att delas bland finalisterna. Google noterade i mars:

”Även om det finns många skäl att vara optimistiska om potentialen för kvantdatorer, är vi fortfarande delvis i mörkret kring hela omfattningen av hur, när och för vilka verkliga problem denna teknik kommer att visa sig mest transformerande.”

Företagets senaste forskning inom detta område inkluderar att undertrycka kvantfel genom att skala en ytkod‑logisk qubit, fasövergång i slumpmässig krets‑sampling, samt mätinducerad intrassling och teleportering på en bullrig kvantprocessor.

Vid skrivandet handlas företagets aktier till $107,48, upp 21,94 % YTD, medan dess marknadsvärde är $2,12 tn. Google har rapporterat intäkter (TTM) på $218,14 bn med en EPS (TTM) på 6,52 och ett P/E (TTM) på 26/13. Det betalar en utdelningsavkastning på 0,47 %.

För sina 1Q24‑resultat rapporterade företaget en 13 % ökning i intäkter till $86,3 bn, nettoresultat på $20,28 bn och den första någonsin utdelningen på $20 per aktie. På våren 2024 nådde dess marknadsvärde en ny milstolpe på $2 bn, vilket gjorde det till världens fjärde mest värdefulla börsnoterade företag.

Slutsats

Det har pågått ett lopp för att bygga en funktionell kvantdator, där 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 kretsat kring qubits, inklusive de två senaste som behandlats här, vilka syftar till att hjälpa till att bygga en praktisk kvantdator.

Klicka här för listan över de fem bästa kvantdatorföretagen.