Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold

In de zoektocht naar het bouwen van een machine die problemen kan oplossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, verkennen wetenschappers vele verschillende manieren om informatie op te slaan en te verwerken. Een veelbelovende aanpak steunt op de minuscule magnetische spins van elektronen, die kunnen fungeren als microscopische kompasnaalden die omhoog of omlaag wijzen. In de meeste ontwerpen proberen onderzoekers elk elektron individueel te controleren, waarbij ze het behandelen als een afzonderlijke eenheid van informatie. Een andere strategie maakt echter gebruik van de natuurlijke neiging van deze elektronen om van plaats te wisselen met hun buren, een proces dat wordt gedreven door een fundamentele kracht genaamd de uitwisselingsinteractie (exchange interaction). Deze methode biedt een pad naar hoge precisie omdat de interactie eenvoudig en robuust is, maar het komt met een addertje onder het gras: de elektronen kunnen niet één voor één worden gecontroleerd. In plaats daarvan moeten ze worden gegroepeerd in grotere clusters die zich gedragen als een enkel, verenigd systeem. Dit creëert een enorm, complex landschap van mogelijke toestanden, veel groter dan wat beschikbaar is wanneer individuele eenheden worden gecontroleerd, maar het maakt het systeem ook moeilijker te navigeren en te meten.

Een team van onderzoekers van HRL Quantum en Microsoft heeft nu een grote stap voorwaarts gezet in het beheersen van deze aanpak. Ze bouwden een apparaat met 48 elektronenspins en demonstreerden dat ze deze hele groep met opmerkelijke precisie konden manipuleren, waarbij ze de hele collectie als één massieve kwantumprocessor beschouwden. In plaats van te proberen kleine groepen van drie spins te isoleren om als standaard bits te fungeren, bediende het team het volledige array in een toestand waarin de totale magnetische spin van de gehele groep nul is. Deze specifieke configuratie stelt hen in staat om toegang te krijgen tot een ruimte van mogelijkheden die groter is dan wat 40 standaard bits aan gegevens zou kunnen bevatten, en toch slaagden ze erin dit te controleren zonder de gebruikelijke fouten die dergelijke grote systemen teisteren. Hun werk laat zien dat door de complexiteit van het hele systeem te omarmen in plaats van ertegen te vechten, ze een niveau van nauwkeurigheid kunnen bereiken dat andere leidende kwantumtechnologieën overtreft.

De onderzoekers testten hun systeem met een reeks rigoureuze experimenten die ontworpen zijn om te meten hoe goed de machine informatie behoudt terwijl deze complexe operaties uitvoert. Ze begonnen met het draaien van willekeurige sequenties van spin-wisselinteracties, waarbij ze de elektronen in feite vroegen om hun verbindingen op onvoorspelbare manieren te husselen. Om te zien of de machine correct functioneerde, maten ze hoe vaak het systeem terugkeerde naar zijn begintoestand na deze gehusselde processen. Ze ontdekten dat voor elke enkele wisseloperatie die werd uitgevoerd, de kans dat het systeem een fout maakte ongelooflijk klein was, ongeveer 3 op 10.000. Dit foutpercentage is aanzienlijk lager dan wat is gerapporteerd voor andere soorten kwantumcomputers, die doorgaans foutpercentages boven de 1 op 1.000 laten zien voor hun basisoperaties. Dit resultaat is bijzonder indrukwekkend omdat het rekening houdt met alle ruis en imperfecties in de gehele controle-sequentie, en niet alleen met de theoretische prestaties van een enkele component.

Om te begrijpen hoe informatie zich door deze enorme groep elektronen verspreidt, voerde het team een geavanceerdere test uit, bekend als een out-of-time-order correlator. In dit experiment introduceerden ze een kleine verstoring in een deel van het systeem en keken ze vervolgens hoe die verstoring zich door de gehele groep van 48 spins voortplantte. Ze observeerden dat de informatie niet op zijn plek bleef; in plaats daarvan verspreidde het zich en verspreidde het zich over het apparaat in een golfachtig patroon. Door de toestand van specifieke paren elektronen aan het einde van het proces te meten, konden ze precies zien hoe de initiële verstoring de rest van het systeem had beïnvloed. De resultaten kwamen met opvallende nauwkeurigheid overeen met computersimulaties van een perfecte, ruisvrije machine, wat bevestigde dat de elektronen precies interageren zoals de wetten van de fysica dat voorspellen, zelfs in een dergelijk groot en complex arrangement.

Het team verkende ook hoe het systeem zich gedraagt wanneer het een specifiek type magnetisch materiaal simuleert, bekend als een Heisenberg-spin keten. Ze programmeerden de elektronen om de interacties na te bootsen die in dit materiaal worden gevonden, waarbij ze de sterkte van de verbindingen tussen buren aanpasten om te zien hoe het systeem reageerde. Ze observeerden duidelijke patronen van golven die heen en weer door de keten reisden, reflecteerden tegen de uiteinden en met elkaar interfereerden. Deze patronen veranderden op voorspelbare wijze afhankelijk van de instellingen die ze kozen, wat aantoonde dat het apparaat de dynamica van complexe fysieke modellen getrouw kon reproduceren. Hoewel het systeem nog niet groot genoeg is om problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor klassieke computers, suggereert het vermogen om deze magnetische interacties met een dergelijke hoge getrouwheid te simuleren dat de technologie snel volwassen wordt.

Een van de meest significante aspecten van dit werk is de methode die werd gebruikt om succes te meten. In plaats van te kijken naar de prestaties van individuele poorten of kleine groepen spins, evalueerden de onderzoekers het gehele systeem als geheel. Ze behandelden de 48 spins niet als een verzameling afzonderlijke bits, maar als één enkel, onderling verbonden entiteit. Deze aanpak stelde hen in staat om de volledige reikwijdte van de beschikbare toestanden van het systeem te benutten, inclus_bij de toestanden die in andere ontwerpen gewoonlijk als fouten of "lekken" worden beschouwd. Door dit te doen, waren ze in staat om een veel nauwkeuriger beeld te krijgen van de werkelijke capaciteiten van de machine. De gegevens onthulden dat de fouten in het systeem niet slechts willekeurige glitches zijn, maar ook consistente, voorspelbare patronen bevatten die gemodelleerd en begrepen kunnen worden. Dit inzicht is cruciaal voor toekomstige verbeteringen, omdat het de weg wijst naar betere hardware voor besturing en kalibratietechnieken.

De onderzoekers erkennen dat hoewel hun apparaat uitzonderlijk goed presteert, het nog geen volledig fouttolerante computer is die in staat is om elk algoritme zonder fouten uit te voeren. Het foutpercentage dat ze maten, hoewel laag, zou nog steeds accumuleren over zeer lange berekeningen, waardoor de resultaten uiteindelijk zouden worden overspoeld. Echter, het feit dat ze een dergelijk laag foutpercentage bereikten op een systeem van deze omvang, is een sterk bewijs dat de exchange-only aanpak levensvatbaar is. Het suggere than dat met verdere verfijningen in de besturingselektronica en de manier waarop pulsen aan de spins worden geleverd, de foutpercentages nog verder kunnen worden verlaagd. Het werk van het team biedt een duidelijk stappenplan voor het opschalen van deze systemen, en laat zien dat de uitdagingen bij het besturen van grote groepen elektronen niet onoverkomelijk zijn.

In de bredere context van quantum computing biedt deze studie een overtuigend alternatief voor de dominante strategieën die vertrouwen op het besturen van individuele qubits. Het demonstreert dat er waarde zit in het werken met het collectieve gedrag van vele deeltjes, zelfs als dat betekent dat men het vermogen opgeeft om ze individueel aan te spreken. De hoge getrouwheid die in dit experiment werd bereikt, suggereert dat de uitwisselingsinteractie een krachtig hulpmiddel is voor het bouwen van kwantummachines. Naarmate het vakgebied vordert, zullen de lessen die geleerd zijn van dit 48-spin systeem waarschijnlijk invloed hebben op hoe toekomstige apparaten worden ontworpen en getest. Het vermogen om een dergelijk grote Hilbertruimte met hoge precisie te ontsluiten en te controleren, opent nieuwe mogelijkheden voor het simuleren van complexe materialen en het oplossen van moeilijke problemen, waardoor de visie van een praktische kwantumcomputer een stap dichter bij de realiteit wordt gebracht.