Giao thức điện toán lượng tử tránh nhắm mục tiêu vào từng nguyên tử riêng lẻ trong một mảng – Thế Giới Vật Lý

Giao thức điện toán lượng tử tránh nhắm mục tiêu vào từng nguyên tử riêng lẻ trong một mảng – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: 20 tháng 2023 năm 9 46:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2338081

Hai nguyên tử trên một dây
Trên dây: giao thức điện toán lượng tử mới tạo ra các khối từ các chuỗi nguyên tử bị mắc kẹt. (Được phép: Shutterstock / Evgenia-Fux)

Bit lượng tử (qubit) dựa trên nguyên tử lạnh đang ngày càng trở thành ứng cử viên hấp dẫn cho điện toán lượng tử. Tuy nhiên, việc nhắm mục tiêu vào các nguyên tử đơn lẻ trong một mảng bằng tia laser để thao tác chúng riêng lẻ nhằm xử lý thông tin lượng tử vẫn là một thách thức. Hiện nay, Francesco Cesa và Hannes pichler tại Đại học Innsbruck của Áo đã thiết kế một giao thức mới cho tính toán lượng tử không dựa vào việc nhắm mục tiêu vào từng nguyên tử riêng lẻ. Các nhà nghiên cứu khác hiện đang cố gắng triển khai quy trình này trong phòng thí nghiệm.

Máy tính lượng tử sẽ có thể thực hiện một số phép tính vượt quá khả năng của ngay cả những siêu máy tính thông thường mạnh nhất. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu và vẫn chưa rõ loại qubit nào là tốt nhất. Ngày nay, qubit dựa trên các mạch siêu dẫn là tiên tiến nhất – nhưng các qubit dựa trên dãy ion lạnh cũng đã đạt được thành công.

Gần đây hơn, các dãy nguyên tử trung hòa cực lạnh cũng đã được nghiên cứu để sử dụng làm qubit. Các nguyên tử hấp dẫn vì chúng ổn định, có thể mở rộng, giống hệt nhau về bản chất và có thể điều khiển được nhờ những tiến bộ trong công nghệ laser. Các nguyên tử có thể bị kích thích đến trạng thái Rydberg, cho phép các nguyên tử tương tác và trở nên vướng víu – đây là một quá trình quan trọng trong điện toán lượng tử.

Điều chỉnh lượng tử

Trong các mảng nguyên tử, tia laser tạo thành các nhíp quang học cách đều nhau để giữ các nguyên tử ở đúng vị trí. Các tia laser khác được sử dụng để điều chỉnh trạng thái lượng tử của các nguyên tử bằng cách kích thích chúng; thúc đẩy chúng giải phóng năng lượng và trở về trạng thái cơ bản; hoặc để nguyên tử ở trạng thái chồng chất của các trạng thái năng lượng. Sự chồng chất hữu ích cho tính toán lượng tử

Các tia laser điều khiển trạng thái của các nguyên tử thường chiếu sáng toàn bộ mảng, điều này gây khó khăn cho việc xử lý thông tin lượng tử chứa trong từng nguyên tử. Tuy nhiên vào năm 2022, một nhóm các nhà nghiên cứu ở Mỹ và Anh đã chứng minh được nhắm mục tiêu của các nguyên tử đơn lẻ bằng chùm tia laser. Cũng trong năm đó, một nhóm trong đó có Pilcher đã thực hiện một cách tiếp cận khác bằng cách di chuyển các nguyên tử đơn lẻ trong một mảng

“Tôi rất hâm mộ cách tiếp cận đó,” Pichler nói Thế giới vật lý, nhưng ông nói thêm rằng có thể có những lợi ích đối với một phương pháp không đòi hỏi nhiều sự kiểm soát đến thế đối với từng nguyên tử.

Cesa đồng ý, “Thật vậy, các kết quả hiện tại về địa chỉ cục bộ rất hứa hẹn – và rất thú vị – nhưng đó vẫn là một trong những khía cạnh tinh vi nhất của tính toán với các nguyên tử Rydberg”. Ông nói thêm, “Có thể hiểu rằng người ta muốn sử dụng một công cụ tinh vi như vậy càng ít càng tốt và chủ yếu dựa vào các biện pháp kiểm soát toàn cầu”.

Xâu chuỗi

Trong giao thức mới của họ, mỗi qubit là một chuỗi nguyên tử gọi là dây. Mỗi dây có thể tồn tại ở một trong hai trạng thái lượng tử hoặc ở trạng thái chồng chất của cả hai. Cesa giải thích, “ở mỗi bước tính toán, thông tin được lưu trữ trong một tập hợp con các nguyên tử” trong mỗi dây. Tập hợp con này bao gồm “các nguyên tử giao diện” nằm giữa hai phần dây được tạo thành từ các nguyên tử được sắp xếp khác nhau về trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản của chúng. Trong cấu hình tiêu chuẩn, các nguyên tử ở một phía của bề mặt phân cách xen kẽ giữa trạng thái cơ bản và trạng thái Rydberg bị kích thích, còn các nguyên tử ở phía bên kia đều ở trạng thái cơ bản.

Bên trong một sợi dây, một nguyên tử không thể bị kích thích khi nó ở trong một khoảng cách nhất định với một nguyên tử bị kích thích khác – khoảng cách gọi là “bán kính phong tỏa Rydberg”. Điều này có nghĩa là xung tới sẽ chỉ kích thích các nguyên tử ở một phía của bề mặt tiếp xúc. Nguyên tử đầu tiên sau nguyên tử giao diện có thay đổi trạng thái hay không phụ thuộc vào trạng thái của nguyên tử giao diện. Bằng cách này, giao diện và thông tin mà nó mã hóa có thể di chuyển lên trên dây khi hệ thống phát xung – hoặc lùi xuống dây nếu các xung bị đảo ngược.

Cho đến nay, thông tin di chuyển lên xuống dòng không thay đổi. Sự thay đổi xảy ra khi nguyên tử giao diện gặp “siêu nguyên tử”. Đây là các cụm nguyên tử tại hoặc ở giữa các vị trí nhất định trong một dãy dây có thể thay đổi trạng thái của qubit. Điều này xử lý hiệu quả thông tin lượng tử được lưu giữ trong một mảng.

Pichler giải thích: “Bạn có thể xem nó như là mã hóa thuật toán trong [cấu hình của] siêu nguyên tử hoặc trong chuỗi xung di chuyển xung quanh thông tin của bạn”. Anh ấy nói thêm, “Tôi nghĩ thật tuyệt khi nó kết nối động lực tự nhiên của nhiều hệ lượng tử trong cơ thể với quá trình xử lý thông tin lượng tử một cách rất minh bạch”.

giao thức bổ sung

Pichler chỉ ra rằng giao thức của họ có thể bổ sung cho các kỹ thuật nhắm vào từng nguyên tử riêng lẻ “như một nút bấm bổ sung trong việc thiết kế bộ xử lý lượng tử”. Một số quy trình nhất định có thể sử dụng phương pháp nhắm mục tiêu, trong khi các chương trình con khác có thể đạt được hiệu quả bằng cách đánh địa chỉ toàn cầu cho toàn bộ mảng. Cesa cho biết thêm: “Bằng cách sử dụng các ý tưởng của chúng tôi, người ta có thể giảm đáng kể yêu cầu kiểm soát nguyên tử riêng lẻ và quyết định sáng suốt khi nào nên sử dụng nó”.

Mark Saffman tại Đại học Wisconsin ở Madison là một chuyên gia về việc nhắm mục tiêu vào các nguyên tử đơn lẻ. Ông mô tả giao thức mới là một “giải pháp bất ngờ để đạt được tính toán lượng tử phổ quát với các mảng nguyên tử tương tác Rydberg được kiểm soát toàn cầu”.

Anh nói Thế giới vật lý rằng yêu cầu kiểm soát vị trí và trạng thái lượng tử của từng nguyên tử “đặt gánh nặng lớn lên các yêu cầu của hệ thống điều khiển quang học. Cách tiếp cận toàn cầu của Cesa và Pichler loại bỏ yêu cầu đó, điều này có thể khiến con đường dẫn đến khả năng mở rộng trở nên ngắn hơn.” Tuy nhiên, ông cũng chỉ ra rằng “kiến trúc chưa tích hợp tính năng sửa lỗi, điều này chắc chắn sẽ cần thiết để đạt được lợi thế lượng tử cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất”.

Pichler và Cesa đồng ý và họ coi việc sửa lỗi là nhiệm vụ quan trọng tiếp theo. Pichler nói: “Đây là một cách xử lý lượng tử mới và nó đòi hỏi một cách suy nghĩ mới về cách ngăn chặn lỗi”. Ông lưu ý rằng vì mỗi qubit sử dụng một chuỗi nguyên tử – không chỉ một nguyên tử – nên quá trình này có thể được coi là dễ xảy ra lỗi hơn. Tuy nhiên, ảnh hưởng của sai sót vẫn còn phải xem xét.

Cesa và Pichler đã xác định được những đặc điểm có thể khai thác để giúp sửa lỗi, đồng thời chỉ ra rằng hầu hết các nguyên tử trong mỗi qubit dây không có thông tin liên quan đến chúng. Pichler giải thích: “Bạn không cần phải sửa lỗi lượng tử hoàn chỉnh để sửa lỗi trên loại nguyên tử nhàn rỗi này”.

Pichler và Cesa đề xuất rằng giao thức này cũng có thể mang lại lợi ích cho các nền tảng điện toán lượng tử khác, chẳng hạn như những nền tảng dựa trên mạch siêu dẫn.

Giao thức được mô tả trong một giấy điều đó sẽ xuất hiện trong Physical Review Letters và trong một in sẵn có sẵn trên arXiv.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý