Die neutralen Atominnovationen des Quantum Systems Accelerator markieren einen Meilenstein im Quantencomputing

Damit Quantencomputer komplexe Probleme lösen können, müssen Forscher Technologien entwickeln, die über längere Zeiträume hinweg mit einer größeren Anzahl von Qubits (den Bausteinen von Quantencomputern) umgehen können. Neutrale Atome spielen dabei eine wichtige Rolle und sind vielversprechend für das Quantencomputing, da sie eine stabile, kontrollierbare und skalierbare Plattform für den Aufbau von Qubits und die Implementierung von Quantenoperationen bieten.

Auf den ersten Blick scheint ein neutrales Atom (ein Teilchen ohne elektrische Nettoladung, das eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen ausgleicht) eine offensichtliche Wahl für Quantenprozessoren zu sein. Allerdings reagieren sie wie andere Arten von Qubits empfindlich auf Umgebungsrauschen und kontrollieren Unvollkommenheiten, die zu Fehlern im Quantencomputer führen können.

Gemeinsame Forschungsteams haben erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Quantencomputing-Hardware und -Techniken auf Basis neutraler Atome erzielt und die Zukunft des skalierbaren Quantencomputings der Realität näher gebracht. Der Quantum Systems Accelerator (QSA) unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ist ein nationales Forschungszentrum für Quanteninformationswissenschaften, das mehr als 250 Experten aus 14 Institutionen zusammenbringt.

QSA-nahe Wissenschaftler haben innovative Methoden entwickelt, um eine stabile, kontrollierbare und skalierbare Plattform für den Bau von Hardware und die Implementierung von Quantenoperationen zu schaffen.

In fokussierten Laserstrahlen eingefangene neutrale Atome sind weniger empfindlich gegenüber Umgebungsstörungen, wodurch Quanteninformationen effizienter verarbeitet werden können. Durch die Anordnung neutraler Atome in Netzwerken können Forscher größere Quantensysteme mit Dutzenden oder Hunderten von Qubits schaffen, die für die Durchführung komplexer Quantensimulationen und die Entwicklung großer Quantencomputer unerlässlich sind.

Die Entwicklung der ersten rekonfigurierbaren Netzwerke neutraler Atome markierte einen wichtigen Meilenstein im Quantencomputing. Forscher an Harvard, MIT und anderen Institutionen haben den Einsatz „optischer Pinzetten“ demonstriert, die fokussierte Laserstrahlen verwenden, um neutrale Atome einzufangen und in bestimmten Konfigurationen zu positionieren.

Diese Innovation wird in einem Artikel detailliert beschrieben, der in veröffentlicht wurde Natur im Jahr 2021, ermöglicht die Erstellung rekonfigurierbarer Matrizen, die für das flexible Design und die Optimierung von Qubits in Quantencomputern unerlässlich sind. Die Fähigkeit, die Platzierung von Atomen präzise zu steuern, verbessert die Zuverlässigkeit und Effizienz von Quantenoperationen und ebnet den Weg für leistungsfähigere und skalierbarere Quantencomputer.

Ihr Quantensimulator hat bereits die Entdeckung neuer Quantenphasen der Materie ermöglicht und detaillierte Untersuchungen von Quantenphasenübergängen ermöglicht.

Rekonfigurierbare neutrale Atomarrays waren erneut die Schlüsseltechnologie in einer weiteren wichtigen Studie, die von QSA durchgeführt und in veröffentlicht wurde Natur Im Jahr 2023 haben Forscher präzise Verschränkungslogikgatter geschaffen, die Zwei-Qubit-Operationen mit einer Genauigkeit von 99,5 % durchführen. Die Genauigkeit, ein Maß dafür, wie präzise eine Quantenoperation ausgeführt wird, ist für den Aufbau und die Skalierung zuverlässiger Quantencomputer von entscheidender Bedeutung.

„Basierend auf diesen Studien haben sich Netzwerke neutraler Atome zu einer führenden Plattform für programmierbare Quantensimulationen und Quanteninformationsverarbeitung entwickelt“, sagte Mikhail Lukin, Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative und Hauptautor der Studie. „Mit der Unterstützung von QSA haben wir eine Grenze in der Quanteninformationswissenschaft neu definiert. »

Die QSA-Forschungsgruppe in Harvard und am MIT nutzte die Erkenntnisse aus diesen beiden früheren Studien und veröffentlichte kürzlich in Zusammenarbeit mit QuEra Computing neue experimentelle Ergebnisse Natur zeigt, wie rekonfigurierbare Netzwerke von Atomen zu grundlegenden Verbesserungen bei Fehlerkorrekturtechniken führen können, die für zuverlässiges Quantencomputing von entscheidender Bedeutung sind.

Durch eine effektivere Fehlerkorrektur kann der Quantenprozessor komplexere Berechnungen mit größerer Präzision durchführen. Diese neueste Studie untersucht innovative wissenschaftliche Ansätze zur Verbesserung der Robustheit von Quantensystemen und erweitert damit die Grenzen des Fachgebiets.

In einer anderen Studie, die von einem interdisziplinären Team der University of Chicago, Harvard, Caltech und der University of Arizona geleitet wurde, entwickelten Forscher ein experimentelles und theoretisches Modell für eine spezielle Art von Fehlerminderungscodes, die als Low Density Quantum Parity Check (qLDPC) bekannt ist zur Skalierung von Quantenalgorithmen.

In der Studie konnten diese qLDPC-Codes mithilfe neutraler Atome als Basistechnologie Fehler effektiv behandeln, eine Aufgabe, die normalerweise Tausende logischer Qubits erfordern würde. Durch die Simulation der Umlagerung von Atomen konnten die Forscher die Belastung reduzieren und dem System ermöglichen, eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten, ohne übermäßige Ressourcen zu benötigen.

„Die von QSA unterstützten Grundlagenforschungen waren für diese Fortschritte von entscheidender Bedeutung“, sagte Lukin. „Durch QSA konnten wir zusammenarbeiten und auf die Ressourcen verschiedener Institutionen und die unterschiedlichen Fachkenntnisse zugreifen, die wir brauchten, um den gesamten Bereich der Quanteninformationswissenschaft auf die nächste Ebene zu heben. »

QSA ist eines der fünf nationalen Forschungszentren für Quanteninformationswissenschaften und konzentriert sich auf die drei wichtigsten Quantencomputertechnologien: supraleitende Schaltkreise, Systeme mit gefangenen Ionen und neutrale Atome.

Neben der Mitgestaltung und Entwicklung neuer Quantengeräte entwickeln QSA-Teammitglieder Software-Steuerungssysteme zum Betrieb dieser Geräte und Algorithmen für wichtige Anwendungen in der Physik, Chemie, Materialien und Biologie. Durch die Zusammenarbeit in allen Aspekten der Quantentechnologie trägt das Zentrum dazu bei, das Feld von Theorien zu Werkzeugen für die reale Welt zu entwickeln.