Исследователи создают первый программируемый, логический квантовый процессор

Индивидуальные физические кубиты, такие как атомы Rubidium, общеизвестно хрупкие и легко нарушаются взаимодействием с окружающей средой.Чтобы свести к минимуму ошибки, исследователи запутают атомы вместе, чтобы сформировать единый «логический кубит», который можно объединить с другими логическими кубитами в схема квантовой схемы.

Команда, возглавляемая Михаилом Лукином, профессором Университета Джошуа и Бет Фридман по физике и со-директором Гарвардской квантовой инициативы, создала первый программируемый, логический квантовый процессор, способный кодировать до 48 логических кубитов и выполнять сотни сотниЛогические операции Gate, огромное улучшение по сравнению с предыдущими усилиями.

Опубликованная в природе, работа была выполнена в сотрудничестве с Маркусом Грайнером, профессором физики Джорджа Васмета Джорджа Васмамера;коллеги из MIT;и Quera Computing, бостонская компания, основанная на технологиях из Harvard Labs.

Система является первой демонстрацией крупномасштабного выполнения алгоритма на квантовом компьютере, корректированном по ошибкам, предвещал появление раннего устойчивого к сбою или надежно непрерывных квантовых вычислений.

Лукин описал достижение как возможную точку перегиба, сродни ранним дням в области искусственного интеллекта: идеи коррекции квантовой ошибки и устойчивости к разломам, давно теоретизированные, начинают приносить плоды.

«Я думаю, что это один из моментов, когда ясно, что идет что -то особенное», - сказал Лукин.«Несмотря на то, что все еще есть проблемы, мы ожидаем, что этот новый прогресс значительно ускорит прогресс в достижении крупномасштабных, полезных квантовых компьютеров».

Дениз Колдуэлл из Национального научного фонда соглашается.

«Этот прорыв является турнирной силой квантовой инженерии и дизайна», - сказал Колдуэлл, исполняющий обязанности помощника директора по математическим и физическим наукам, который поддерживал исследования через центры по границ NSF и квантовые программы Leap Challenge.«Команда не только ускорила разработку квантовой обработки информации, используя нейтральные атомы, но и открыла новую дверь для исследований крупномасштабных логических устройств QBIT, что может позволить преобразующие преимущества для науки и общества в целом».

Это был долгий, сложный путь.

В квантовых вычислениях квантовый бит или «кубит» - это одна единица информации, как двоичный бит в классических вычислениях.В течение более двух десятилетий физики и инженеры показали миру, что квантовые вычисления, в принципе, возможны путем манипулирования квантовыми частицами - будь то атомы, ионы или фотоны - для создания физических кубитов.

Но успешно использование странности квантовой механики для вычислений более сложна, чем просто накапливание большого количества кубитов, которые по своей природе нестабильны и подвержены разрушению из их квантовых состояний.

Настоящими монетами царства являются так называемые логические кубиты: пакеты избыточных, корректированных по ошибкам физических кубитов, которые могут хранить информацию для использования в квантовом алгоритме.Создание логических кубитов в качестве контролируемых единиц - как классические биты - было фундаментальным препятствием для этой области, и общепринято, что до тех пор, пока квантовые компьютеры не смогут надежно работать на логических кубитах, технология не может на самом деле взлететь.

На сегодняшний день лучшие вычислительные системы продемонстрировали один или два логических кубита и одну квантовую операцию затвора - акинку до одной единицы кода - между ними.

Прорыв команды Гарварда основан на нескольких годах работы над квантовой вычислительной архитектурой, известной как нейтральный массив атомов, впервые в лаборатории Лукина.В настоящее время он коммерциализируется Кверой, которая недавно заключила лицензионное соглашение с Гарвардским Управлением технологий для патентного портфеля на основе инноваций, разработанных Lukin’s Group.

Ключевым компонентом системы является блок ультра-холодных, подвешенных атомов рубидия, в котором атомы-физические кубиты системы-могут перемещаться и быть подключенными к парам-или «запутанным»-с компонентом.

Запутанные пары атомов образуют ворота, которые являются единицами вычислительной мощности.Ранее команда продемонстрировала низкую частоту ошибок в своих операциях запутывания, доказывая надежность их системы нейтрального массива атомов.

С помощью своего логического квантового процессора исследователи теперь демонстрируют параллельный, мультиплексный контроль всего участка логических кубитов с использованием лазеров.Этот результат более эффективный и масштабируемый, чем необходимость контролировать отдельные физические кубиты.

«Мы пытаемся отметить переход на поле, к началу тестирования алгоритмов с коррекциями с ошибками, а не физическими, и обеспечить путь к более крупным устройствам»,-сказал первый автор Paper Dolev Bluvstein, школа искусств и наук ГриффинКандидат наук.Студент в лаборатории Лукина.

Команда будет продолжать работать над демонстрацией большего количества типов операций на своих 48 логических кубитах и настраивать свою систему для непрерывной работы, в отличие от ручного велосипеда, как и сейчас.

Больше информации: Dolev Bluvstein и др., Логический квантовой процессор на основе реконфигурируемых атомов, природа (2023).Doi: 10.1038/s41586-023-06927-3

Эта история опубликована любезно предоставлена Гарвардской газеткой, официальной газетой Гарвардского университета.Для получения дополнительных университетских новостей, посетите Harvard.edu.