Inženýři MIT posouvají vývoj kvantových počítačů odolných vůči chybám

Kvantové počítače by v budoucnu mohly urychlit simulaci nových materiálů nebo pomoci vědcům vyvíjet rychlejší modely strojového učení, čímž by se otevřely dveře mnoha novým možnostem.

Tyto aplikace však budou možné pouze tehdy, pokud budou kvantové počítače schopny provádět operace extrémně rychle, aby vědci mohli provádět měření a opravy dříve, než kumulativní chybovost sníží jejich přesnost a spolehlivost.

Účinnost tohoto procesu měření, známého jako výstupní čtení, závisí na síle vazby mezi fotony (částicemi světla, které nesou kvantové informace) a umělými atomy (jednotkami hmoty, které se často používají k ukládání informací v kvantovém počítači).

Nyní výzkumníci z MIT prokázali to, co považují za nejsilnější nelineární vazbu světla a hmoty, jaká kdy byla v kvantovém systému dosažena. Jejich experiment je krokem k realizaci kvantových operací a čtení, které by mohly být provedeny v několika nanosekundách.

Vědci použili novou architekturu supravodivého obvodu k ukázce nelineární vazby světla a hmoty, která je přibližně o řád silnější než předchozí demonstrace, což by mohlo umožnit kvantovému procesoru běžet asi 10krát rychleji.

Než bude možné architekturu použít v reálném kvantovém počítači, je třeba vykonat ještě mnoho práce, ale prokázání základní fyziky stojící za procesem je velkým krokem správným směrem, říká Yufeng „Bright“ Ye SM '20, PhD '24, hlavní autor článku o tomto výzkumu.

„To by skutečně eliminovalo jedno z úzkých míst v kvantovém počítání. Obvykle musíte mezi koly opravy chyb měřit výsledky výpočtů. To by mohlo urychlit, jak rychle můžeme dosáhnout fáze kvantového počítání odolného vůči chybám a získat skutečné aplikace a hodnotu z našich kvantových počítačů,“ říká Ye.

K autorovi článku se připojil vedoucí autor Kevin O'Brien, docent a hlavní výzkumný pracovník ve Výzkumné laboratoři elektroniky na MIT, který vede skupinu pro kvantovou koherentní elektroniku na katedře elektrotechniky a informatiky (EECS), stejně jako další na MIT, MIT Lincoln Laboratory a Harvard University. Výzkum byl publikován v časopise Nature Communications.

Nový spojovač

Tato fyzická demonstrace navazuje na několikaletý teoretický výzkum ve skupině O'Brien.

Poté, co se Ye v roce 2019 připojil k laboratoři jako doktorand, začal vyvíjet specializovaný fotonový detektor pro vylepšení kvantového zpracování informací.

Během této práce vynalezl nový typ kvantového spojovače, což je zařízení, které usnadňuje interakce mezi qubity. Qubity jsou stavební kameny kvantového počítače. Tento takzvaný kvartonový spojovač měl tolik potenciálních aplikací v kvantových operacích a čtení, že se rychle stal středem zájmu laboratoře.

Tento kvartonový spojovač je speciální typ supravodivého obvodu, který má potenciál generovat extrémně silnou nelineární vazbu, která je nezbytná pro spouštění většiny kvantových algoritmů. Jak vědci dodávají do spojovače více proudu, vytváří se ještě silnější nelineární interakce. V tomto smyslu nelinearita znamená, že systém se chová způsobem, který je větší než součet jeho částí, a vykazuje složitější vlastnosti.

„Většina užitečných interakcí v kvantovém počítání pochází z nelineární vazby světla a hmoty. Pokud můžete získat univerzálnější škálu různých typů vazby a zvýšit sílu vazby, pak můžete v podstatě zvýšit rychlost zpracování kvantového počítače,“ vysvětluje Ye.

Pro kvantové čtení vědci nasvítí mikrovlnné světlo na qubit a poté, v závislosti na tom, zda je qubit ve stavu 0 nebo 1, dochází k frekvenčnímu posunu na jeho přidruženém výstupním rezonátoru. Tento posun měří, aby určili stav qubitu.

Nelineární vazba světla a hmoty mezi qubitem a rezonátorem umožňuje tento proces měření.

Výzkumníci z MIT navrhli architekturu s kvartonovým spojovačem připojeným ke dvěma supravodivým qubitům na čipu. Jeden qubit přemění na rezonátor a druhý qubit použijí jako umělé atomy, které ukládají kvantové informace. Tato informace se přenáší ve formě mikrovlnných světelných částic zvaných fotony.

„Interakce mezi těmito supravodivými umělými atomy a mikrovlnným světlem, které vede signál, je v podstatě způsob, jak je postaven celý supravodivý kvantový počítač,“ vysvětluje Ye.

Umožnění rychlejšího čtení

Kvartonový spojovač vytváří nelineární vazbu světla a hmoty mezi qubitem a rezonátorem, která je přibližně o řád silnější, než čeho dosáhli výzkumníci dříve. To by mohlo umožnit kvantový systém s bleskově rychlým výstupem čtení.

„Tato práce není koncem příběhu. Jedná se o demonstraci základní fyziky, ale v této skupině nyní probíhá práce na realizaci skutečně rychlého čtení,“ říká O'Brien.

To by zahrnovalo přidání dalších elektronických součástí, jako jsou filtry, pro vytvoření výstupního obvodu, který by mohl být začleněn do většího kvantového systému.

Výzkumníci také prokázali extrémně silnou vazbu hmota-hmota, další typ interakce qubitů, která je důležitá pro kvantové operace. To je další oblast, kterou plánují zkoumat v budoucí práci.

Rychlé operace a čtení jsou obzvláště důležité pro kvantové počítače, protože qubity mají omezenou životnost, koncept známý jako koherenční doba.

Silnější nelineární vazba umožňuje kvantovému procesoru běžet rychleji a s menší chybou, takže qubity mohou za stejnou dobu provést více operací. To znamená, že qubity mohou během své životnosti provést více kol opravy chyb.

„Čím více kol opravy chyb můžete provést, tím menší bude chyba ve výsledcích,“ říká Ye.

V dlouhodobém horizontu by tato práce mohla pomoci vědcům vybudovat kvantový počítač odolný vůči chybám, což je nezbytné pro praktické kvantové výpočty ve velkém měřítku.

Tento výzkum byl částečně podpořen Army Research Office, AWS Center for Quantum Computing a MIT Center for Quantum Engineering.