Newswise — Прежде чем квантовые компьютеры смогут решать сложные проблемы, исследователи должны разработать технологии, которые будут управлять большим количеством кубитов (строительных блоков квантовых компьютеров) в течение длительных периодов времени. Нейтральные атомы играют важную роль в этих усилиях и являются многообещающими для квантовых вычислений, поскольку они предлагают стабильную, управляемую и масштабируемую платформу для создания кубитов и реализации квантовых операций. На первый взгляд нейтральный атом — частица без общего электрического заряда, уравновешивающая равное количество протонов и электронов — может показаться простым выбором для квантовых процессоров. Однако, как и другие типы кубитов, они чувствительны к шуму окружающей среды и несовершенствам управления, которые могут вызвать ошибки в квантовом компьютере.

Совместные исследовательские группы, финансируемые Quantum Systems Accelerator (QSA), добились значительных успехов в разработке оборудования и методов квантовых вычислений на основе нейтральных атомов, приближая будущее масштабируемых квантовых вычислений ближе к реальности. QSA, возглавляемый Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и финансируемый Министерством энергетики США, представляет собой Национальный исследовательский центр квантовой информатики, объединяющий более 250 экспертов из 14 учреждений. Ученые из QSA разработали инновационные методы создания стабильной, управляемой и масштабируемой платформы для создания аппаратного обеспечения и реализации квантовых операций.

Нейтральные атомы, попавшие в сфокусированные лазерные лучи, менее восприимчивы к возмущениям окружающей среды, что позволяет более эффективно обрабатывать квантовую информацию. Располагая нейтральные атомы в массивы, исследователи могут создавать более крупные квантовые системы с десятками или сотнями кубитов, которые имеют решающее значение для выполнения сложного квантового моделирования и разработки крупномасштабных квантовых компьютеров. Значительный прогресс был достигнут на этом фронте благодаря исследованиям, финансируемым QSA.

Финансируемая QSA разработка первых реконфигурируемых массивов нейтральных атомов стала важной вехой в квантовых вычислениях. Исследователи из Гарварда, Массачусетского технологического института и других институтов продемонстрировали использование «оптических пинцетов», которые используют сфокусированные лазерные лучи для захвата и позиционирования нейтральных атомов в определенных конфигурациях. Это нововведение, подробно описанное в статье, опубликованной в Природа в 2021 году, позволяет создавать реконфигурируемые массивы, которые необходимы для гибкого проектирования и оптимизации кубитов в квантовых компьютерах. Возможность точно контролировать размещение атомов повышает надежность и эффективность квантовых операций, открывая путь для более мощных и масштабируемых квантовых компьютеров. Их квантовый симулятор уже позволил открыть новые квантовые фазы материи и облегчил детальное изучение квантовых фазовых переходов.

Реконфигурируемые массивы нейтральных атомов снова стали ключевой технологией в другом важном исследовании под руководством QSA, опубликованном в журнале QSA. Природа в 2023 году, когда исследователи создали точные запутанные логические элементы, выполняя двухкубитные операции с точностью 99,5%. Точность, мера того, насколько точно выполняется квантовая операция, важна для создания и масштабирования надежных квантовых компьютеров.

«Благодаря этим исследованиям массивы нейтральных атомов стали ведущей платформой для программируемого квантового моделирования и квантовой обработки информации», — сказал Михаил Лукин, содиректор Гарвардской квантовой инициативы и старший автор исследования. «При поддержке QSA мы переопределили границы квантовой информатики».

Применяя уроки, извлеченные в этих двух предыдущих исследованиях, финансируемых QSA, исследовательская группа QSA из Гарварда и Массачусетского технологического института в сотрудничестве с QuEra Computing недавно опубликовала в журнале Nature новые экспериментальные результаты, показывающие, как реконфигурируемые массивы атомов могут привести к фундаментальным улучшениям в методах исправления ошибок, что имеет решающее значение. для надежных квантовых вычислений. Более эффективно устраняя ошибки, квантовый процессор может выполнять более сложные вычисления с более высокой точностью. Это последнее исследование, финансируемое Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA), Агентством перспективных исследовательских проектов разведки (IARPA) и Национальным научным фондом, изучает инновационные научные подходы к повышению надежности квантовых систем, расширяя границы этой области.

В другом исследовании, частично финансируемом QSA и проведенном междисциплинарной группой из Чикагского университета, Гарварда, Калифорнийского технологического института и Университета Аризоны, исследователи разработали экспериментальную и теоретическую схему для особого вида кодов, уменьшающих ошибки, известных как квантовый минимум. -проверка четности плотности (qLDPC), полезная для масштабирования квантовых алгоритмов. В исследовании эти коды qLDPC эффективно управляли ошибками, используя нейтральные атомы в качестве основной технологии — задача, которая обычно требует тысяч логических кубитов. Моделируя перестановку атомов, исследователи смогли сократить накладные расходы, позволив системе поддерживать высокую производительность, не требуя чрезмерных ресурсов.

«Фундаментальные научные исследования, поддерживаемые QSA, сыграли центральную роль в этих достижениях», — сказал Лукин. «Работая через QSA, мы смогли сотрудничать и получить доступ к ресурсам различных учреждений и различным экспертным знаниям, необходимым нам для перевода всей области квантовой информатики в следующий уровень».

QSA — один из пяти национальных исследовательских центров квантовой информатики Министерства энергетики, специализирующийся на всех трех основных технологиях квантовых вычислений: сверхпроводниковых схемах, системах с захваченными ионами и нейтральных атомах. Помимо совместного проектирования и разработки нового квантового оборудования, члены команды QSA разрабатывают системы управления программным обеспечением для управления этими устройствами и алгоритмами для важных приложений в области физики, химии, материалов и биологии. Сотрудничая по всем аспектам квантовых технологий, Центр помогает перейти от теорий к реальным инструментам.

###

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) стремится предоставлять решения для человечества посредством исследований в области чистой энергии, здоровой планеты и научных открытий. Лаборатория Беркли и ее ученые, основанная в 1931 году с убеждением, что самые серьезные проблемы лучше всего решаются командами, были удостоены 16 Нобелевских премий. Исследователи со всего мира полагаются на научное оборудование лаборатории мирового класса для проведения собственных новаторских исследований. Лаборатория Беркли — это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите Energy.gov/science .

Sandia National Laboratories — это многопрофильная лаборатория, управляемая компанией National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, дочерней компанией, находящейся в полной собственности Honeywell International Inc., для Национальной администрации по ядерной безопасности Министерства энергетики США. Sandia Labs отвечает за научные исследования и разработки в области ядерного сдерживания, глобальной безопасности, обороны, энергетических технологий и экономической конкурентоспособности, с основными объектами в Альбукерке, Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния.

Ускоритель квантовых систем (QSA) — один из пяти национальных исследовательских центров квантовой информатики, финансируемых Управлением науки Министерства энергетики США. Возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) и Национальными лабораториями Сандии в качестве ведущего партнера, QSA катализирует национальное лидерство в области квантовой информатики для совместной разработки алгоритмов, квантовых устройств и инженерных решений, необходимых для обеспечения сертифицированных квантовых преимуществ в научных приложениях. QSA объединяет десятки ученых, которые являются пионерами многих современных уникальных возможностей квантовой инженерии и производства. Помимо промышленных и академических партнеров по всему миру, в состав QSA входят 15 учреждений: Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Национальные лаборатории Сандии, Университет Колорадо в Боулдере, Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института, Калифорнийский технологический институт, Университет Дьюка, Гарвардский университет, Массачусетский технологический институт, Университет Тафтса, Калифорнийский университет в Беркли, Университет Мэриленда, Университет Нью-Мексико, Университет Южной Калифорнии, Юта Остин и Канадский университет Шербрука. Для получения дополнительной информации посетите https://quantumsystemsaccelerator.org/