A thermal microwave bus for neutral atom quantum computing

Der Bau eines Computers, der Probleme lösen kann, die außerhalb der Reichweite heutiger Maschinen liegen, erfordert einen empfindlichen Balanceakt. Wissenschaftler erforschen derzeit verschiedene Wege, um diese Quantenmaschinen zu bauen, wobei einer der vielversprechendsten Ansätze darin besteht, einzelne Atome mithilfe von Lichtstrahlen an Ort und Stelle zu halten, ganz ähnlich wie winzige Perlen auf einer unsichtbaren Schnur. Diese Atome fungieren als die Basiseinheiten der Information, oder Qubits. Um den Computer funktionsfähig zu machen, müssen diese Qubits in der Lage sein, miteinander zu kommunizieren, um komplexe Berechnungen durchzuführen. Die Atome sind jedoch normalerweise in einem flachen Gitter angeordnet, und die Methode, mit der sie kommunizieren, ist von Natur aus sehr kurzreichweitig, vergleichbar mit einem Flüstern, das nur wenige Zentimeter weit trägt. Um Atome zu verbinden, die weit voneinander entfernt sind, mussten Forscher traditionell die Atome physisch über das Gitter bewegen – ein Prozess, der langsam ist und begrenzt, wie schnell der Computer Probleme lösen kann. Die Herausforderung besteht also darin, einen Weg zu finden, um entfernte Atome sofort zu verbinden, ohne sie zu bewegen – eine Fähigkeit, die für die Fehlerkorrektursysteme unerlässlich ist, die notwendig sind, um diese fragilen Maschinen zuverlässig am Laufen zu halten.

In einer neuen Studie haben Forscher des University College London eine Lösung vorgeschlagen, die die langsame physische Bewegung von Atomen durch eine schnelle, unsichtbare Verbindung mittels Mikrowellen ersetzt. Sie schlagen ein Design vor, bei dem die Atome in einem speziellen Metallbehälter sitzen, einem dreidimensionalen Hohlraum (Cavity), der als gemeinsamer Kommunikationskanal dient. Anstatt sich darauf zu verlassen, dass die Atome physisch zusammenstoßen oder nah beieinander liegen müssen, zeigen die Forscher auf, wie die Atome durch die elektromagnetischen Wellen interagieren können, die in diesem Behälter hin und her reflektiert werden. Dieser Ansatz ermöglicht es entfernten Atomen, die notwendigen Berechnungen nahezu augenblicklich gemeinsam durchzuführen, wodurch die Engpässe der traditionellen Methode der bewegenden Atome umgangen werden. Das Team simulierte dieses System, um zu sehen, wie gut es in einer realen Umgebung funktionieren würde, wobei sie die Wärme und die Unvollkommenheiten berücksichtigten, die in jedem physikalischen Gerät existieren. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese mikrowellenbasierte Verbindung eine extrem hohe Genauigkeit erreichen kann, was die kritischsten Schritte der Quantenfehlerkorrektur potenziell um fast das Fünffache beschleunigen könnte.

Der Kern des Problems liegt darin, wie diese Quantencomputer mit Fehlern umgehen. Da Quantenzustände so fragil sind, sind sie anfällig für Fehler durch die kleinste Störung. Um diese Fehler zu korrigieren, muss der Computer seine eigene Arbeit ständig überprüfen, ein Prozess, der erfordert, dass Qubits mit ihren Nachbarn interagieren. In dem Standardaufbau mit neutralen Atomen erfolgt diese Überprüfung durch das Bewegen eines Atoms von einem Ort an einen anderen, um es mit seinem Nachbarn zusammenzuführen, eine Prüfung durchzuführen und es dann wieder zurückzubringen. Während dies für nahegelegene Nachbarn funktioniert, wird es zu einem massiven Engpass, wenn der Computer Verbindungen über das gesamte Gitter hinweg prüfen muss, wie etwa an den Rändern einer Schleife, bei der sich das Gitter um sich selbst wickelt. Die Zeit, die benötigt wird, um Atome über ein großes Gitter zu bewegen, wächst mit der Größe des Gitters und bremst schließlich das gesamte System bis zum Stillstand ab. Die Forscher erkannten, dass sie, wenn sie eine Verbindung schaffen könnten, die das gesamte Gitter überspannt, ohne etwas zu bewegen, die Zeit für diese Prüfungen drastisch reduzieren könnten.

Um dies zu erreichen, entwarf das Team ein System, bei dem die Atome an einen Mikrowellenhohlraum gekoppelt sind. In diesem Aufbau werden die Atome durch optische Pinzetten gehalten – das sind fokussierte Lichtstrahlen – innerhalb eines Hohlraums aus supraleitendem Metall. Dieser Hohlraum ist auf eine spezifische Mikrowellenfrequenz abgestimmt, die der Energiedifferenz zwischen zwei spezifischen angeregten Zuständen des Atoms entspricht, den sogenannten Rydberg-Zuständen. Wenn sich die Atome in diesen Zuständen befinden, können sie Energie mit dem Mikrowellenfeld innerhalb des Behälters austauschen. Die Forscher schlugen eine Vier-Niveau-Architektur vor, bei der die Information im stabilen Grundzustand des Atoms gespeichert ist, das Atom aber für die Berechnung kurzzeitig mit dem Mikrowellenfeld verknüpft wird. Dies ermöglicht es dem Mikrowellenfeld, als „Bus“ zu fungieren, der Informationen zwischen zwei beliebigen Atomen im Array überträgt, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind.

Das Team testete zunächst zwei bestehende Methoden zur Nutzung dieser Mikrowellenverbindung. Eine Methode beinhaltet das Vertauschen der Zustände zweier Atome, während die andere einen Antrieb nutzt, um eine spezifische Phasenverschiebung zu erzeugen. Sie simulierten diese Methoden unter realistischen Bedingungen, einschließlich des Vorhandenseins von thermischen Photonen – winzigen Energiepaketen, die aufgrund von Wärme im Hohlraum existieren – sowie des natürlichen Zerfalls der atomaren Zustände. Sie fanden heraus, dass diese Methoden zwar funktionieren, ihre Genauigkeit jedoch signifikant sinkt, wenn die Temperatur steigt oder die Atome Energie verlieren. Die Simulationen zeigten, dass das System für diese traditionellen Ansätze, um die für einen nützlichen Computer erforderlichen hohen Fidelitäten zu erreichen, extrem kalt gehalten werden müsste, und selbst dann waren die Fehlerraten höher als erwünscht.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, führten die Forscher eine neue Technik namens bichromatischer Raman-Gate ein. Diese Methode verwendet zwei verschiedene Laserstrahlen, um mit den Atomen zu interagieren, wodurch eine Verbindung entsteht, die wesentlich robuster gegenüber Hitze und Zerfall ist. Im Gegensatz zu den vorherigen Methoden erfordert dieses Gate nicht, dass die Atome lange im angeregten Rydberg-Zustand verbleiben; stattdessen besuchen sie diesen Zustand nur virtuell, was bedeutet, dass das Atom dort fast keine Zeit verbringt. Dies ist ein entscheidender Unterschied, da die angeregten Zustände kurzlebig und anfällig für Fehler sind. Durch das Vermeiden eines langen Verbleibs in diesen Zuständen minimiert das Gate die Wahrscheinlichkeit, dass das Atom zerfällt und seine Information verliert. Darüber hinaus ist das Design der zwei Laserstrahlen so gewählt, dass sie unerwünschte Verschiebungen, die durch das Mikrowellenfeld verursacht werden, kompensieren, was das Gate hochresistent gegen das thermische Rauschen macht, das die früheren Methoden plagte.

Die Simulationen für dieses neue bichromatische Gate waren bemerkenswert erfolgreich. Die Forscher fanden heraus, dass es eine Fidelität von 0,997 erreichen kann, was bedeutet, dass es die korrekte Operation zu 99,7 % der Zeit korrekt ausführt. Dieses Genauigkeitsniveau liegt voll im Bereich, der für fehlertolerantes Quantencomputing erforderlich ist. Das Gate arbeitet, indem es eine Kraft auf das Mikrowellenfeld ausübt, die vom Zustand der Atome abhängt. Während die Atome mit dem Feld interagieren, zeichnen sie einen Pfad im Phasenraum des Feldes nach, und wenn dieser Pfad in einer Schleife schließt, hinterlässt er einen spezifischen Phasenabdruck auf den Atomen, der die Berechnung repräsentiert. Da das Gate symmetrisch konzipiert ist, kompensiert es von Natur aus viele der Fehler, die andernfalls akkumulieren würden. Das Team zeigte auch, dass diese Methode verwendet werden kann, um komplexe Multi-Atom-Zustände zu erzeugen, wie etwa Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustände, die für viele Quantenalgorithmen essenziell sind, und zwar mit hoher Genauigkeit, selbst wenn die Anzahl der Atome zunimmt.

Die wahre Leistungsfähigkeit dieser Entdeckung wird deutlich, wenn man betrachtet, wie sie sich auf die Geschwindigkeit der Fehlerkorrektur auswirkt. Die Forscher wandten ihre Erkenntnisse auf einen spezifischen Typ von Fehlerkorrektur-Code an, bekannt als Toric Code, der auf einem Gitter mit periodischen Randbedingungen angeordnet ist, wodurch die Kanten des Gitters effektiv zu einem Torus gewickelt werden. In diesem Code müssen einige der notwendigen Prüfungen zwischen Atomen an gegenüberliegenden Kanten des Gitters durchgeführt werden. Im traditionellen bewegenden Atom-Ansatz erfordert das Schließen dieser Schleifen den physischen Transport von Atomen über das gesamte Gitter, ein Prozess, dessen Zeit proportional zur Quadratwurzel der Gittergröße ist. Im Gegensatz dazu kann das Mikrowellen-Hohlraum-Gate diese entfernten Atome sofort verbinden, wobei die benötigte Zeit nur linear mit der Anzahl der benötigten Gates skaliert.

Für eine realistische Array-Größe zeigten die Simulationen, dass die Verwendung des Mikrowellen-Gates zum Schließen der periodischen Randbedingungen des Toric-Codes die Zeit für eine volle Runde der Fehlerkorrektur um den Faktor 2,3 verkürzte. Das bedeutet, dass der Computer Fehler mehr als doppelt so schnell erkennen und beheben kann wie die traditionelle Methode. Die Forscher erweiterten diese Analyse auf eine breitere Familie von Codes, bekannt als Bivariate Bicycle Codes, die darauf ausgelegt sind, effizienter zu sein, aber noch komplexere Langstreckenverbindungen erfordern. Für diese Codes war die Beschleunigung noch dramatischer und reduzierte die Zeit für eine volle Fehlerkorrekturrunde um den Faktor 4,8. Dies deutet darauf hin, dass der Mikrowellen-Bus ein Game-Changer für die fortschrittlichsten Quantenfehlerkorrektur-Schemata sein könnte, indem er es ermöglicht, diese viel schneller und effizienter laufen zu lassen als bisher für möglich gehalten.

Die Studie befasste sich auch mit dem Thema der Parallelität, also der Fähigkeit, mehrere Gates gleichzeitig auszuführen. Obwohl der Mikrowellenhohlraum eine einzige gemeinsame Ressource ist, zeigten die Forscher, dass es durch eine sorgfältige Abstimmung der Frequenzen der Laserantriebe möglich ist, Gates an verschiedenen Atompaaren gleichzeitig durchzuführen, ohne dass diese sich gegenseitig stören. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die Skalierung des Computers, um größere Probleme zu bewältigen. Obwohl die Fidelität dieser parallelen Gates etwas niedriger war als die der Einzel-Gates, blieb sie hoch genug, um nützlich zu sein. Das Team merkte an, dass zukünftige Designs dies weiter verbessern könnten, indem sie mehrere Hohlraummoden oder zusätzliche Atomzustände verwenden, aber selbst mit dem aktuellen Single-Mode-Setup ist das Potenzial für eine Beschleunigung signifikant.

Letztendlich bietet diese Arbeit einen konkreten Weg nach vorn für neutrale-Atom-Quantencomputer. Durch den Ersatz des langsamen, mechanischen Prozesses des Bewegen von Atomen durch eine schnelle, mikrowellenvermittelte Verbindung haben die Forscher gezeigt, dass es möglich ist, die hochgeschwindigkeitsfähigen, hochpräzisen Interaktionen zu erreichen, die für groß angelegte Quantenfehlerkorrektur erforderlich sind. Die Simulationen belegen, dass dieser Ansatz nicht nur theoretisch fundiert, sondern auch robust gegenüber dem thermischen Rauschen und den Unvollkommenheiten ist, die in realen Experimenten unvermeidlich sind. Obwohl die Arbeit auf Simulationen statt auf physischen Experimenten basiert, wurden die verwendeten Parameter auf realistischen Werten für die aktuelle Technologie aufgebaut, wie etwa der Qualität von supraleitenden Hohlräumen und den Lebensdauern von Rydberg-Atomen. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Bau eines Quantencomputers mit einem Mikrowellen-Bus den Konnektivitäts-Engpass lösen könnte, der die Entwicklung dieser Maschinen lange Zeit behindert hat, und den Traum von einem fehlertoleranten Quantencomputer ein erhebliches Stück näher rückt.