Computing
Quantum Computing Isang Hakbang Pa Lapit sa Katotohanan sa Pamamagitan ng Paggamit ng Harmonic Oscillators
Ang karera sa quantum computer ay naging mainit sa loob ng ilang taon na ngayon, kung saan ang pagtuklas ng gamot, agham ng materyales, pag-optimize, machine learning, at cryptography ay ilan lamang sa mga larangang mababago ng mga pag-unlad nito.
Ngunit sa kabila ng lahat ng pag-unlad, ang paggawa ng mga quantum computer na kayang lutasin ang mga totoong problema ay napipigil ng tatlong malaking hamon:
- Marupok na mga quantum state
- Pag-scale up habang pinapanatili ang kontrol
- Pagpapanatili ng coherence
Ngayon, isang koponan sa Chalmers University of Technology sa Sweden ang gumawa ng makabuluhang hakbang sa pagharap sa mga hamong ito at pabilisin ang pag-unlad ng praktikal na mga quantum computer. Sila kakamailan ay naglathala ng isang bagong pamamaraan sa journal na Nature para manipulahin ang quantum information gamit ang tunable nonlinearity sa superconducting circuits. Pinapayagan nito ang mas kumplikadong operasyon sa multi-dimensional na mga quantum state na maisagawa nang mas mabilis at mas tumpak kaysa dati.
Pagbuo ng Praktikal na mga Quantum Computer
Sa puso ng quantum computing ay ang quantum bit, o qubit, ang pangunahing yunit ng quantum information. Hindi tulad ng mga klasikong bit na 0 o 1 lamang, ang mga qubit ay maaaring maging 0 at 1 sabay at lahat ng nasa pagitan. Ang mga qubit ay maaari ring mag-entangle sa isa’t isa, na nagbibigay-daan sa mga quantum computer na magsagawa ng ilang kalkulasyon nang mas mabilis kaysa sa mga klasikong computer.
Gayunpaman, ang pag-abot sa kakayahang ito ay naging malaking hamon. Isa sa pinakamalaking isyu ay ang kahinaan ng mga quantum state. Ang mga qubit ay sensitibo sa kanilang kapaligiran at mabilis na nawawalan ng kanilang quantum na katangian dahil sa decoherence, na nagdudulot ng mga error sa quantum computation at naglilimita sa lalim ng mga kalkulasyon.
Isa pang malaking problema ay ang scaling. Habang dumarami ang mga qubit na idinadagdag sa isang quantum processor, nagiging mas mahirap kontrolin ang mga interaksyon sa pagitan nila at ipatupad ang mga quantum gate. Ito ay dahil ang mga control system at cross-talk sa pagitan ng mga qubit ay nagiging mas kumplikado.
At mayroong trade-off sa pagitan ng coherence at controllability. Ang mga teknik na nagpapahusay ng coherence ng mga qubit, tulad ng error correction codes, ay nangangailangan ng mas maraming resources at naglilimita sa ilang operasyon. Ang mga sistema na may higit na kontrol sa indibidwal na mga qubit, tulad ng trapped ions o superconducting circuits, ay mas maingay at mas madaling ma-decohere.
“Isipin ang isang qubit bilang isang asul na lampara na, sa quantum mechanics, maaaring sabay na naka-on at naka-off. Sa kabilang banda, ang isang continuous variable quantum system ay parang isang walang katapusang bahaghari, na nag-aalok ng tuloy-tuloy na gradient ng mga kulay. Ipinapakita nito ang kakayahan nitong ma-access ang napakaraming estado, na nagbibigay ng mas masaganang posibilidad kaysa sa dalawang estado ng qubit.”
– Axel Eriksson, mananaliksik sa quantum technology sa Chalmers University of Technology at pangunahing may-akda ng pag-aaral
I-click dito upang matuto tungkol sa kasalukuyang kalagayan ng quantum computing.
Tunable Nonlinearities sa Superconducting Circuits
Ang koponan ng Chalmers University, pinamumunuan nina Dr. Axel M. Eriksson at Simone Gasparinetti, ay nalutas ang mga problemang ito sa pamamagitan ng paggamit ng superconducting circuits. Nakabuo sila ng isang espesyal na komponent na tinatawag na Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement (SNAIL) resonator.
Ang mga SNAIL ay mga superconducting circuit element na may malakas at tunable na nonlinearity. Ito ay isang superconducting loop na may mga Josephson junction, manipis na insulating barrier na nagpapahintulot sa mga Cooper pair (magkakabit na pares ng electron) na tumunnel. Sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga junction nang asymmetrically, nakagawa sila ng circuit element na may nonlinear inductance.
“Nagawa naming lumikha ng isang sistema na gumagawa ng kumplikadong operasyon sa isang multi-state quantum system nang mas mabilis kaysa dati.”
– Senior author Dr. Simone Gasparinetti, pinuno ng 202Q-lab sa Chalmers University
Ang pangunahing ginawa ng koponan ng Chalmers ay ilagay ang isang SNAIL resonator sa loob ng isang superconducting microwave cavity, na isang bosonic mode para sa pag-encode ng quantum information. Nag-apply sila ng microwave pulses sa hybrid system na ito at pinagana at pinatay ang nonlinearity sa SNAIL upang magsagawa ng iba’t ibang quantum operation nang mabilis at tumpak.
Quantum Computing na may Continuous Variable
Isa sa mga natatanging aspeto ng pamamaraan ng koponan ng Chalmers ay lumalampas ito sa paradigma ng qubit at gumagamit ng continuous-variable (CV) quantum states.
Sa isang CV quantum system, ang impormasyon ay naka-encode sa amplitude at phase quadratures ng isang harmonic oscillator, tulad ng microwave cavity field. Ang mga quadrature na ito ay maaaring magkaroon ng tuloy-tuloy na hanay ng mga halaga, hindi lamang 0 at 1 tulad ng mga qubit.
Ayon kay senior author Dr. Simone Gasparinetti, pinuno ng 202Q-lab sa Chalmers University:
“Nilikha namin ang isang sistema na nagpapahintulot ng napakakomplikadong operasyon sa isang multi-state quantum system, sa isang hindi pa nagagawang bilis.”
Ang CV approach ay may mga kalamangan kumpara sa discrete-variable quantum computing. (i) Una, ang isang solong CV mode ay maaaring mag-encode ng impormasyon na katumbas ng maraming qubit, na nangangahulugang mas kaunting hardware para sa fault-tolerant quantum computing. (ii) Pangalawa, ang kalikasan ng mga CV state ay nagbibigay-daan sa mas mahusay na error correction codes, na kailangan para sa quantum computing na may ingay at decoherence.
Gayunpaman, isang malaking problema sa CV quantum computing ay ang non-Gaussian operations, na kailangan para sa universal quantum computing. Ang mga Gaussian operation tulad ng displacement at squeezing ng oscillator state ay maaaring gawin gamit ang linear optical elements o microwave circuits, ngunit hindi ito sapat para sa quantum speedup dahil maaari itong i-simulate nang klasikong paraan.
Ang mga non-Gaussian operation ay nangangailangan ng nonlinear interactions, na mas mahirap gawin at kontrolin. Ang mga naunang pagsubok na pagsamahin ang mga CV mode sa mga nonlinear element ay nabigo dahil sa Kerr effect, na nagpapasira sa quantum information at nagpapababa ng operation fidelity.
Nalutas ito ng koponan ng Chalmers sa pamamagitan ng pag-ingenyo ng nonlinearity sa loob ng SNAIL resonator. Pinapatakbo nila ang SNAIL sa tinatawag na “Kerr-free” point, kung saan ang hindi kanais-nais na Kerr nonlinearity ay napipigil, at ang third-order nonlinearity na kailangan para sa non-Gaussian operations ay napapanatili.
“Madalas na sinusubukan ng aming komunidad na ilayo ang mga superconducting element mula sa mga quantum oscillator, upang hindi masira ang marupok na mga quantum state. Sa gawaing ito, hinamon namin ang paradigmang ito. Sa pamamagitan ng pag-embed ng isang controlling device sa puso ng oscillator, nagawang naming iwasan ang pag-scramble ng maraming quantum state habang sabay na nakokontrol at napapamahalaan ang mga ito. Bilang resulta, naipakita namin ang isang bagong hanay ng gate operations na isinagawa sa napakabilis na bilis.”
– Simone Gasparinetti
Isang Universal Gate Set
Upang ipakita ang kanilang nagawa, gumawa sila ng isang universal gate set sa kanilang SNAIL-resonator platform. Kabilang dito ang mga Gaussian gate tulad ng displacement at squeezing at isang cubic phase gate, na non-Gaussian.
Ang mga Gaussian gate ay ginawa sa pamamagitan ng pag-apply ng microwave pulses sa tiyak na mga frequency sa SNAIL circuit. Ang pag-drive sa fundamental frequency ay nagbibigay ng displacement, at ang pag-drive sa doble ng fundamental frequency ay nagbibigay ng squeezing. Ginagamit ito para maghanda at manipulahin ang coherent at squeezed states, na mga batayan para sa CV quantum information processing.
Ang cubic phase gate ay ginawa sa pamamagitan ng pagsasama ng isang “trisqueezing” interaction (pag-drive sa tatlong beses ng fundamental frequency) kasama ang mga drive sa mas mababang frequency. Nag-aaplay ito ng nonlinear phase shift sa oscillator state na proporsyonal sa cube ng amplitude, kaya tinawag itong “cubic phase.”
Ang cubic phase gate ay kailangan para sa universal CV quantum computing dahil lumilikha ito ng lubos na non-classical na mga estado tulad ng Gottesman-Kitaev-Preskill (GKP) states, na para sa fault-tolerant quantum error correction. Ang cubic phase gate kasama ang mga Gaussian gate ay lumilikha ng isang deterministic non-Gaussian state na tinatawag na “cubic phase state.”
Ang mga gate na ginawa ng koponan ng Chalmers ay gumagamit ng pulses na kasingikli ng ilang dosenang nanosecond. Ito ay 10-100 beses na mas mabilis kaysa sa mga naunang implementasyon na may dispersive qubit-oscillator couplings. Ito ay dahil sa malakas na nonlinearity sa SNAIL resonator.
Deterministikong Paghahanda ng Cubic Phase State
Isa pang halimbawa ay ang koponan ng Chalmers na gumagamit ng kanilang universal gate set upang lumikha ng isang lubos na non-classical na quantum state na tinatawag na cubic phase state. Ang mga cubic phase state ay kailangan para sa quantum error correction, quantum metrology, at CV measurement-based quantum computing.
Ang paghahanda ng cubic phase state ay ginawa sa pamamagitan ng pag-apply ng mga gate sa ground state (vacuum) ng SNAIL resonator. Una, isang 20-ns squeezing gate ang inilapat upang makagawa ng squeezed vacuum state. Pagkatapos, isang 40-ns cubic phase gate ang inilapat sa squeezed state na iyon, at voilà, isang cubic phase state na may cubicity na 0.11.
Ang estado ay kinatawan gamit ang Wigner tomography, na gumagawa ng phase-space distribution ng quantum state. Ang Wigner function ay malakas na negatibo, na non-classical at hindi makikita sa anumang klasikong oscillator state.
Ang fidelity ng cubic phase state kumpara sa target state ay 92%. Ipinakita nila na ang cubicity ng estado ay maaaring pataasin sa pamamagitan lamang ng pagpapahaba ng tagal ng cubic phase gate. Mas maganda ito kaysa sa mga naunang pamamaraan ng paghahanda ng estado, na nangangailangan ng buong re-optimization ng control sequence para sa bawat halaga ng cubicity.
Mga Pagkakataon para sa Pagpapabuti at Hinaharap na Gawain
Bagaman ang nagawa ng koponan ng Chalmers ay kapuri-puri na, marami pang dapat gawin:
SNAIL Resonator
Isang limitasyon ng mga quantum operation ay ang coherence time ng SNAIL resonator. Mayroon silang coherence time na ilang microseconds, na sapat sa ngayon, ngunit ang mas mahabang coherence time ay magbibigay-daan sa mas kumplikado at mas malalim na quantum circuit. Ang pag-optimize ng mga parameter ng SNAIL circuit upang mabawasan ang flux noise at ang pag-shield at pag-filter ng microwave environment ay mga paraan upang mapabuti ang coherence.
Kasama dito:
- Coherence time ng SNAIL resonator (ilang microseconds ay sapat sa ngayon, ngunit ang mas mahaba ay magbibigay-daan sa mas kumplikadong circuit)
- Pag-optimize ng mga parameter ng SNAIL circuit upang mabawasan ang flux noise
- Pag-shield at pag-filter ng microwave environment
Scalability
Isa pang larangan na dapat pagbutihin ay ang scalability. Ang eksperimento ay ginawa gamit ang isang SNAIL, ngunit ang isang malakihang quantum computer ay nangangailangan ng maraming SNAIL. Upang mag-scale up, maaaring gumamit ng maraming SNAIL, bawat isa ay konektado sa sariling microwave cavity. Ang setup na ito ay nagbibigay-daan sa paglikha ng multi-qubit gates at entangled states sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng coupling sa pagitan ng mga cavity. Gayunpaman, ito ay nangangailangan ng kontrol sa paggawa at pag-tune ng mga SNAIL upang maging homogenous at reproducible.
- Scalability (isang SNAIL ngayon, ngunit ang isang malakihang quantum computer ay nangangailangan ng marami)
- Isang array ng mga SNAIL, bawat isa ay may sariling microwave cavity
- Multi-qubit gates at entangled states sa buong array sa pamamagitan ng coupling sa pagitan ng mga cavity
- Kontrol sa paggawa at pag-tune ng mga SNAIL upang maging homogenous at reproducible
Bukod sa pag-scale up ng bilang ng mga CV mode, kailangan din nating i-scale up ang bilang ng mga photon sa bawat mode. Ang nonlinearity ng SNAIL resonator ay lumilihis mula sa ideal na pag-uugali nito sa mas mataas na bilang ng photon, na naglilimita sa laki ng computational Hilbert space.
Isang paraan upang ayusin ito ay ang paggamit ng multi-SNAIL design kung saan ang nonlinearity ng bawat SNAIL ay ini-engineer upang mag-cancel sa mas mataas na order habang pinapanatili ang mga lower-order interaction.
Iba pang posibleng pag-unlad ay kinabibilangan ng:
- Mas maraming CV mode
- Mas maraming photon sa bawat mode
- Ang nonlinearity sa SNAIL resonator ay nagiging sanhi ng paglihis mula sa ideal na pag-uugali sa mas mataas na bilang ng photon
- Naglilimita sa laki ng computational Hilbert space
- Multi-SNAIL design: ang nonlinearity ng bawat SNAIL ay nag-cancel sa mas mataas na order habang pinapanatili ang lower-order interactions
Sa hinaharap, nais ng koponan ng Chalmers na i-integrate ang kanilang SNAIL-resonator platform sa iba pang quantum computing architectures upang lumikha ng hybrid systems. Halimbawa, ang mga SNAIL-mediated interaction ay maaaring gamitin upang i-entangle ang superconducting qubits at mga CV mode upang makagawa ng kumplikadong multi-qubit states. Ang mabilis at epektibong CV gates sa gawaing ito ay maaaring magamit para sa quantum error correction sa mga encoded qubits, at magreresulta ito sa mas matibay at scalable na mga quantum processor.
Isang kapanapanabik na prospect na dapat asahan ay ang pag-integrate ng SNAIL-resonator platform sa mga optical quantum system. Ang mga superconducting circuit ay mahusay para sa quantum computing, na gumagana sa microwave frequencies at cryogenic temperatures. Sa kabilang banda, ang mga optical quantum system, na gumagana sa room temperature, ay perpekto para sa long-distance quantum communication. Sa pamamagitan ng pag-develop ng quantum frequency converter, maaari nating pagsamahin ang pinakamahusay na katangian ng parehong mundo upang lumikha ng isang scalable at networked na quantum computer.
Pagtatapos
Ang naabot ng koponan ng Chalmers ay isang malaking pag-unlad para sa praktikal na mga quantum computer. Gumamit sila ng tunable nonlinearity sa superconducting circuits upang makabuo ng hardware-efficient at controllable na quantum computer na kayang mabilis at tumpak na magsagawa ng kumplikadong operasyon sa multidimensional na mga quantum state.
Ito ay kumakatawan sa isang bagong paradigma sa CV-NISQ computing. Ang mga SNAIL resonator ay maaaring lutasin ang mahihirap na problema sa quantum chemistry, optimization, at machine learning. Habang ang teknolohiyang ito ay umuunlad at lumalawak, magbubukas ito ng mga aplikasyon na hindi posible sa mga klasikong computer.
Gayunpaman, ang pagbuo ng malakihang, fault-tolerant na mga quantum computer ay patuloy na may malalaking hamon, kabilang ang coherence time ng superconducting circuits, ang bilang ng mga qubit at CV mode, at ang mga interface sa pagitan ng mga quantum computing platform.
Sa kabila ng mga hamong ito, ang quantum computing bilang isang applied science ay napakalayo na ang narating, at ang koponan ng Chalmers ay nagkaroon ng mahalagang papel sa pagtulak ng mga hangganan nito. Nag-ambag sila sa quantum computing toolbox at ipinakita sa atin ang mga bagong paraan ng paggamit ng quantum mechanics. Ngayon, isang hakbang na tayo papalapit sa accessible na quantum computing.
Habang ang teorya at mga eksperimento ay umuusad nang mas mabilis, ang hinaharap ng quantum computing ay hindi kailanman nagmukhang mas maganda. Magbibigay ang mga quantum computer ng exponential speedup para sa malawak na hanay ng mga computational task sa mga larangan tulad ng drug discovery, disenyo ng materyales, cryptography, at artificial intelligence. Kasama ng mga pag-unlad sa teknolohiya tulad ng AI, tinitiyak ng mga pag-unlad na ito na ang mundo ay nasa bingit ng mga makabuluhang pagbabago na mahirap ganap na maisip.
I-click dito para sa listahan ng limang pinakamahusay na kumpanya sa quantum computing.
