Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
Dit artikel rapporteert de experimentele benchmarking van Zeus-256, een bij kamertemperatuur werkende 256-qubit NV-diamant kwantumprocessor die gebruikmaakt van een nieuwe optisch programmeerbare biomoleculaire kwantumbus, welke succesvol complexe algoritmen uitvoerde, waaronder het algoritme van Shor voor 84-bits gehele getallen en hoogwaardige verstrengelingsprotocollen, hoewel het nog geen kwantumvoordeel heeft aangetoond.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Quantum computing belooft problemen op te lossen die momenteel onmogelijk zijn voor zelfs de krachtigste supercomputers, maar het bouwen van een machine die dit kan doen is ongelooflijk moeilijk. De kernuitdaging ligt in het stabiel houden van delicate kwantuminformatie. In veel systemen verliezen de minuscule deeltjes die worden gebruikt om gegevens op te slaan, de zogenaamde qubits, bijna onmiddellijk hun speciale eigenschappen als ze te warm worden of interageren met hun omgeving. Dit dwingt wetenschappers er meestal toe om hun machines af te koelen tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, wat massieve, complexe koelsystemen vereist. Een andere hindernis is het verbinden van deze qubits. Om een berekening uit te voeren, moeten qubits met elkaar communiceren, maar in veel ontwerpen kunnen ze alleen communiceren met hun directe buren. Om informatie van de ene kant van de chip naar de andere te krijgen, moet de computer de gegevens via een lange keten van buren doorgeven, wat alles vertraagt en fouten introduceert. De vraag die onderzoekers zich hebben gesteld, is of het mogelijk is om een grote, bruikbare kwantumcomputer te bouwen die op kamertemperatuur werkt en waarbij elk deel van de hersenen met elk ander deel verbonden kan worden zonder deze trage, foutgevoelige ketens.
Een team van onderzoekers heeft nu een nieuw type kwantumprocessor gedemonstreerd die op kamertemperatuur werkt en een uniek biologisch materiaal gebruikt om het verbindingsprobleem op te lossen. Ze bouwden een apparaat genaamd Zeus-256, dat 256 actieve verwerkingseenheden, of logische qubits, bevat die in een rooster zijn gerangschikt. In tegen tegenstelling tot andere systemen die mogelijk een klein aantal qubits over een bepaalde tijd hergebruiken om een grotere machine te simuleren, is elke een van deze 256 eenheden actief en werkt tegelijkertijd. De processor is gebouwd op een kleine diamantkristal die stikstof-vacaturecentra bevat, wat minuscule defecten in de structuur van de diamant zijn die als de qubits fungeren. Deze defecten worden gecontroleerd met microgolven en radiogolven, terwijl hun staat wordt uitgelezen met behulp van licht. De meest significante innovatie is echter hoe de qubits met elkaar communiceren. In plaats van te vertrouwen op fysieke draden of het rondbewegen van de qubits, hebben de onderzoekers een speciale laag van proteïne-gebaseerd materiaal over de diamant geplaatst. Deze laag fungeert als een programmeerbare brug, of "kwantumbus", die met licht kan worden afgestemd om elke twee qubits te verbinden, zelfs die die ver van elkaar verwijderd zijn op de chip. Dit stelt de computer in staat om complexe operaties uit te voeren zonder de gebruikelijke vertragingen die door afstand worden veroorzaakt.
De onderzoekers testten deze machine door een breed scala aan standaard kwantumalgoritmen uit te voeren om te zien hoe goed deze presteerde. Ze voerden succesvol circuits uit die ontworpen zijn om complexe verstrengelde toestanden te creëren, specifieke patronen te zoeken en wiskundige berekeningen uit te voeren. Een van de meest indrukwekkende tests betrof een beroemd algoritme voor het vinden van de factoren van grote getallen, een taak die centraal staat in de moderne cryptografie. Het team heeft dit algoritme op 11 verschillende getallen uitgevoerd, variërend van kleine 8-bit integers tot een enorme 84-bit getal. Voor het grootste getal, waarbij alle 256 qubits samen moesten werken, registreerde de machine een "factor recovery"-vlag voor de instantie na 10 pogingen. De studie maakt echter de specifieke gevonden delers, het aantal succesvolle pogingen per individuele poging of de slaagkans per poging niet bekend. Het gehele proces voor deze moeilijke berekening duurde net iets meer dan een halve seconde. In een andere test creëerde de machine een specifiek type hoogverstrengelde toestand waarbij alle 256 qubits tegelijkertijd betrokken waren. Wanneer ze de kwaliteit van deze toestand maten, vonden ze dat deze de ideale theoretische doelstelling benaderde met een fidelity van bijna 99,9 procent, wat aangeeft dat de kwantuminformatie ondanks de omgeving op kamertemperatuur opmerkelijk stabiel bleef.
De studie mat ook hoe lang de machine nodig had om deze taken te voltooien. De onderzoekers ontdekten dat de tijd die nodig was om een programma uit te voeren veel meer afhing van de complexiteit van de instructies en de specifieke structuur van de berekening dan van het pure aantal gebruikte qubits. Bijvoorbeeld, sommige berekeningen met minder qubits duurden veel langer dan andere met meer qubits, simpelweg omdat de instructies complexer waren. Dit suggereert dat de snelheid van de processor wordt bepaald door hoe de software wordt vertaald naar de fysieke pulsen die de diamant aansturen, in plaats van alleen door de grootte van het register. Het team verifieerde ook dat de machine werkelijk op een kwantummanier handelde door de correlaties tussen paren qubits te meten. De resultaten toonden een niveau van verbinding aan dat onmogelijk is te bereiken met klassieke fysica, wat bevestigt dat het apparaat opereerde als een echt kwantumsysteem.
Hoewel de machine een belangrijke stap voorwaarts is, zijn de onderzoekers voorzichtig in wat zij wel en niet hebben bereikt. Ze geven expliciet aan dat dit werk nog niet heeft bewezen dat de machine problemen sneller kan oplossen dan de beste klassieke computers, een mijlpaal die bekend staat als kwantumvoordeel (quantum advantage). De verstrekte timingdata is een maatstaf voor de interne executiesnelheid van de processor en bevat niet de tijd die nodig is om de code van de gebruiker te vertalen of om het licht te verzamelen en te analyseren. De 256-qubit device is de grootste versie die zij tot nu toe hebben gebouwd en getest. Ze beschrijven een toekomstig technisch doel om hetzelfde ontwerp op te schalen naar bijna 10.000 qubits, maar ze verduidelijken dat deze grotere versie nog niet is gebouwd. Het huidige succes berust op een gepatenteerd biologisch materiaal dat als de verbindingslaag dient, waarvan de exacte chemische samenstelling niet wordt onthuld. Echter, het feit dat een machine die deze aanpak gebruikt, 256 qubits kan coördineren op kamertemperatuur en complexe, langetermijninteracties kan uitvoeren, suggereert een levensvatbaar pad naar grotere, meer praktische kwantumcomputers die geen extreme koeling vereisen. Het werk demonstreert dat de combinatie van diamant-gebaseerde qubits, nucleaire spin-geheugen en een met licht gestuurde biologische brug een functionele, op kamertemperatuur werkende kwantumprocessor kan creëren die in staat is tot aanzienlijke computationele taken.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.