A thermal microwave bus for neutral atom quantum computing

Het bouwen van een computer die problemen kan oplossen die buiten het bereik liggen van elke machine van vandaag, vereist een delicaat evenwicht. Wetenschappers verkennen momenteel verschillende manieren om deze kwantummachines te bouwen, waarbij een van de meest veelbelovende benaderingen gebruikmaakt van individuele atomen die op hun plaats worden gehouden door lichtstralen, vergelijkbaar met kleine kralen aan een onzichtbare draad. Deze atomen fungeren als de basiseenheden van informatie, of qubits. Om de computer te laten werken, moeten deze qubits in staat zijn om met elkaar te communiceren om complexe berekeningen uit te voeren. De atomen zijn echter meestal gerangschikt in een plat rooster, en de methode die ze gebruiken om te communiceren is van nature zeer kort bereik, zoals een fluistering die slechts een paar inch reikt. Om atomen die ver uit elkaar liggen te verbinden, moesten onderzoekers traditioneel de atomen fysiek over het rooster bewegen, een proces dat traag is en beperkt hoe snel de computer problemen kan oplossen. De uitdaging is dan om een manier te vinden om verre atomen direct te verbinden zonder ze te bewegen, een capaciteit die essentieel is voor de foutcorrectiesystemen die nodig zijn om deze fragiele machines betrouwbaar te laten draaien.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers aan University College London een oplossing voorgesteld die de trage fysieke beweging van atomen vervangt door een snelle, onzichtbare verbinding met behulp van microgolven. Ze stellen een ontwerp voor waarbij de atomen zich binnen een gespecialiseerde metalen doos bevinden, een driedimensionale holte (cavity), die fungeert als een gedeeld communicatiekanaal. In plaats van te vertrouwen op het feit dat de atomen fysiek bij elkaar komen of dicht bij elkaar bewegen, laten de onderzoekers zien hoe de atomen kunnen interageren via de elektromagnetische golven die binnen deze doos weerkaatsen. Deze aanpak stelt de atomen in staat om de noodzakelijke berekeningen bijna onmiddellijk samen uit te voeren, waardoor de knelpunten van de traditionele methode van bewegende atomen worden omzeild. Het team simuleerde dit systeem om te zien hoe goed het zou werken in een echte omgeving, waarbij rekening werd gehouden met de warmte en imperfecties die in elk fysiek apparaat bestaan. Hun resultaten geven aan dat deze op microgolven gebaseerde verbinding een extreem hoge nauwkeurigheid kan bereiken, wat de meest kritieke stappen van kwantumfoutcorrectie met een factor van bijna vijf kan versnellen.

De kern van het probleem ligt in de manier waarop deze kwantumcomputers met fouten omgaan. Omdat kwantumtoestanden zo fragiel zijn, zijn ze gevoelig voor fouten door de kleinste verstoring. Om deze fouten te herstellen, moet de computer voortdurend zijn eigen werk controleren, een proces dat vereist dat qubits met hun buren interageren. In de standaardopstelling met neutrale atomen gebeurt deze controle door een atoom van de ene plek naar de andere te bewegen om een buurman te ontmoeten, een controle uit te voeren, en het atoom vervolgens weer terug te bewegen. Hoewel dit werkt voor nabijgelegen buren, wordt dit een grote bottleneck wanneer de computer verbindingen over het hele rooster moet controleren, zoals de randen van een lus waar het rooster om zichzelf heen krult. De tijd die het kost om atomen over een groot rooster te bewegen, groeit met de grootte van het rooster, waardoor het hele systeem uiteindelijk tot een kruipend tempo vertraagt. De onderzoekers realiseerden zich dat als ze een verbinding konden creëren die het hele rooster beslaat zonder iets te bewegen, ze de tijd die nodig is voor deze controles drastisch konden verminderen.

Om dit te bereiken, ontwierp het team een systeem waarbij de atomen gekoppeld zijn aan een microgolfholte. In deze opstelling worden de atomen op hun plaats gehouden door optische pincetten, wat gefocuste lichtbundels zijn, binnen een holte gemaakt van supergeleidend metaal. Deze holte is afgestemd op een specifieke microgolf frequentie die overeenkomt met het energieverschil tussen twee specifieke aangeslagen toestanden van het atoom, bekend als Rydberg-toestanden. Wanneer de atomen in deze toestanden verkeren, kunnen ze energie uitwisselen met het microgolfveld binnen de doos. De onderzoekers stelden een vier-niveau architectuur voor waarbij de informatie wordt opgeslagen in de stabiele grondtoestand van het atoom, maar voor de berekening wordt het atoom kortstondig verbonden met het microgolfveld via deze aangeslagen toestanden. Dit stelt het microgolfveld in staat om te fungeren als een bus die informatie tussen alle willekeurige paren atomen in de array vervoert, ongeacht hoe ver ze uit elkaar liggen.

Het team testte eerst twee bestaande methoden voor het gebruik van deze microgolfverbinding. De ene methode houdt in dat de toestanden van twee atomen worden verwisseld, terwijl de andere een 'drive' gebruikt om een specifieke fasesverschuiving te creëren. Ze simuleerden deze methoden onder realistische omstandigheden, inclusief de aanwezigheid van thermische fotonen — kleine pakketjes energie die in de holte bestaan als gevolg van warmte — en het natuurlijke verval van de atomaire toestanden. Ze vonden dat hoewel deze methoden werken, hun nauwkeurigheid aanzienlijk afneemt naarmate de temperatuur stijgt of de atomen energie verliezen. De simulaties toonden aan dat om de hoge fideliteiten te bereiken die vereist zijn voor een bruikbare computer, het systeem extreem koud gehouden zou moeten worden, en zelfs dan waren de foutpercentages hoger dan gewenst.

Om deze beperkingen te overwinnen, introduceerden de onderzoekers een nieuwe techniek genaamd de bichromatische Raman-gate. Deze methode maakt gebruik van twee verschillende laserbundels om met de atomen te interageren, waardoor een verbinding ontstaat die veel robuuster is tegen warmte en verval. In tegenstelling tot de vorige methoden vereist deze gate niet dat de atomen lang in de aangeslagen Rydberg-toestand blijven; in plaats daarvan bezoeken ze die toestand slechts virtueel, wat betekent dat het atoom er bijna geen tijd doorbrengt. Dit is een cruciaal onderscheid omdat de aangeslagen toestanden kortstondig zijn en gevoelig zijn voor fouten. Door een lang verblijf in deze toestanden te vermijden, minimaliseert de gate de kans dat het atoom vervalt en zijn informatie verliest. Bovendien is het ontwerp van de twee laserbundels zodanig dat ze ongewenste verschuivingen veroorzaakt door het microgolfveld opheffen, waardoor de gate zeer resistent is tegen de thermische ruis die de eerdere methoden teisterde.

De simulaties voor deze nieuwe bichromatische gate waren opmerkelijk succesvol. De onderzoekers vonden dat het een fidelity van 0,997 kon bereiken, wat betekent dat het de juiste operatie 99,7% van de tijd correct uitvoert. Dit nauwkeurigheidsniveau ligt ruim binnen het bereik dat nodig is voor fouttolerante kwantumcomputers. De gate werkt door een kracht op het microgolfveld te creëren die afhangt van de toestand van de atomen. Terwijl de atomen interageren met het veld, volgen ze een pad in de fasesimte van het veld, en wanneer dit pad in een lus sluit, laat het een specifieke fase-afdruk achter op de atomen die de berekening vertegenwoordigt. Omdat de gate is ontworpen om symmetrisch te zijn, heft het van nature veel van de fouten op die anders zouden accumuleren. Het team toonde ook aan dat deze methode gebruikt kan worden om complexe multi-atoomtoestanden te creëren, zoals Greenberger-Horne-Zeilinger-toestanden, die essentieel zijn voor veel kwantumalgoritmen, met een hoge nauwkeurigheid zelfs naarmate het aantal atomen toeneemt.

De ware kracht van deze ontdekking wordt duidelijk wanneer men kijkt naar hoe het de snelheid van foutcorrectie beïnvloedt. De onderzoekers pasten hun bevindingen toe op een specif kind van foutcorrectiecode bekend als de toric code, die is gerangschikt op een rooster met periodieke grenzen, waarbij de randen van het rooster effectief om de torus worden gevouwen. In deze code moeten sommige van de noodzakelijke controles worden uitgevoerd tussen atomen aan tegenoverliggende zijden van het rooster. In de traditionele methode van bewegende atomen vereist het sluiten van deze lussen het fysiek transporteren van atomen over het gehele rooster, een proces dat een tijd in beslag neemt die evenredig is aan de vierkantswortel van de grootte van het rooster. In contrast hiermee kan de microgolfholte-gate deze verre atomen onmiddellijk verbinden, waarbij de benodigde tijd slechts lineair schaalt met het aantal benodigde gates.

Voor een realistisch array-formaat toonden de simulaties aan dat het gebruik van de microgolfgate om de periodieke grenzen van de toric code te sluiten, de tijd voor één volledige ronde van foutcorrectie met een factor 2,3 verkortte. Dit betekent dat de computer fouten meer dan twee keer zo snel kan controleren en herstellen als de traditionele methaling. De onderzoekers breidden deze analyse vervolgens uit naar een bredere familie van codes bekend als bivariate bicycle codes, die ontworpen zijn om efficiënter te zijn maar nog complexere langeafstandverbindingen vereisen. Voor deze codes was de versnelling nog dramatischer, waarbij de tijd voor een volledige ronde van foutcorrectie met een factor 4,8 werd verminderd. Dit suggereert dat de microgolfbus een game-changer kan zijn voor de meest geavanceerde kwantumfoutcorrectieschema's, waardoor ze veel sneller en efficiënter kunnen draaien dan voorheen mogelijk werd geacht.

De studie behandelde ook de kwestie van parallellisme, of het vermogen om meerdere gates tegelijkertijd uit te voeren. Hoewel de microgolfholte een enkele gedeelde bron is, toonden de onderzoekers aan dat door de frequenties van de laser-drives zorgvuldig af te stemmen, het mogelijk is om gates op verschillende paren atomen gelijktijdig uit te voeren zonder dat ze elkaar storen. Deze capaciteit is essentieel voor het opschalen van de computer om grotere problemen aan te pakken. Hoewel de fidelity van deze parallelle gates iets lager was dan die van enkelvoudige gates, bleef deze hoog genoeg om bruikbaar te zijn. Het team merkte op dat toekomstige ontwerpen dit verder kunnen verbeteren door gebruik te maken van meerdere holtemodi of extra atomaire toestanden, maar zelfs met de huidige single-mode opstelling is het potentieel voor versnelling aanzienlijk.

Uiteindelijk biedt dit werk een concreet pad voorwaarts voor neutrale-atoam kwantumcomputers. Door het trage, mechanische proces van het bewegen van atomen te vervangen door een snelle, door microgolven gemedieerde verbinding, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om de hoge-snelheid, hoge-fidelity interacties te bereiken die nodig zijn voor grootschalige kwantumfoutcorrectie. De simulaties demonstreren dat deze aanpak niet alleen theoretisch solide is, maar ook robuust tegen de thermische ruis en imperfecties die onvermijdelijk zijn in echte experimenten. Hoewel het artikel steunt op simulaties in plaats van fysieke experimenten, zijn de gebruikte parameters gebaseerd op realistische waarden voor de huidige technologie, zoals de kwaliteit van supergeleidende holtes en de levensduur van Rydberg-atomen. De resultaten suggereren dat het bouwen van een kwantumcomputer met een microgolfbus de connectiviteitsbottleneck die de ontwikkeling van deze machines lang heeft gehinderd, kan oplossen, waardoor de droom van een fouttolerante kwantumcomputer aanzienlijk dichter bij de realiteit komt.