Ustanawianie nowych rekordów dzięki obliczeniom kwantowym z wykorzystaniem mikrofal z uwięzionymi jonami
Poprzez wykorzystanie uwięzionych jonów możliwe będzie przyspieszenie wdrażania wielkoskalowych komputerów kwantowych. Kubity oparte są na stabilnych stanach elektronowych jonów zamkniętych i uwięzionych za pomocą pól elektromagnetycznych. Skalowalność jest na wyciągnięcie ręki, biorąc pod uwagę, że można tworzyć miliony identycznych kubitów z uwięzionymi jonami, a na takich opiera się działanie zegara atomowego. W tradycyjnym podejściu każdy kubit jest poddawany działaniu dwóch wiązek laserowych. Zastosowanie tego podejścia jest możliwe w laboratorium dla jednego lub kilku kubitów, ale do stworzenia dużych komputerów kwantowych potrzebne byłyby miliony wiązek laserowych. Dzięki dobrze rozwiniętej i kompaktowej technologii mikrofalowej można by zastąpić pary wiązek laserowych napięciem przyłożonym do mikroprocesora w łagodnych temperaturach. W ramach finansowanego ze środków UE projektu MicroQC rozwijano to podejście, co otworzyło drogę do wielkoskalowych obliczeń kwantowych z wykorzystaniem rozwiązania chipowego oraz skalowalnej, napędzanej mikrofalami logiki kwantowej.
Mikrofalowe komputery kwantowe z uwięzionymi jonami: kluczowe wyzwania
Zamiast sterowanych wiązek laserowych zastosowano promieniowanie mikrofalowe, co pozwala na wypromieniowanie wielu jonów z jednego źródła, a w rozwiązaniu wykorzystane zostaną gotowe komponenty mikrofalowe. Jednak samo globalne promieniowanie długofalowe tylko w niewielkim stopniu wpływa na ruch jonów. Połączenie go z silnymi lokalnymi polami magnetycznymi umożliwia precyzyjne i wydajne kontrolowanie odpowiednich kubitów. Kluczowe wyzwanie stanowi wpływ dużych gradientów pola magnetycznego na mikrofabrykowane układy pułapek jonowych. Ponadto w obecnej koncepcji wielkoskalowej architektury komputerowej z uwięzionymi jonami kwantowymi występuje wiele różnych modułów (takich jak małe płytki), które są połączone za pomocą „złączy X”, co umożliwia interakcję pojedynczego kubitu jonowego z jego sąsiadami. Modułowość pozwala na skalowalność, jednak każdy moduł zawiera różne strefy wprowadzania i uwięzienia ładunków, manipulacji, przechowywania i odczytu, co przekłada się na konieczność stosowania protokołów transportu jonów o wysokiej wierności. Wierność na poziomie większym niż 99 % odpowiada wystąpieniu mniej niż 1 błędu na każde 100 operacji.
Rekordowo niskie wartości: przesłuch i błędy transportu jonów
W projekcie MicroQC z powodzeniem sprostano obu tym wyzwaniom. Nikolay V. Vitanov, koordynator projektu z Uniwersytetu Sofijskiego im. św. Klemensa z Ochrydy, wyjaśnia: „W ramach projektu MicroQC podjęto działania na rzecz udoskonalenia mikrofabrykowanych chipów z pułapką jonową, co pozwoliło na zwiększenie gradientu pola magnetycznego o rząd wielkości – z około 20 do prawie 200 Tesli/metr. Większy gradient pozwala na tworzenie znacznie szybszych i bardziej precyzyjnych bramek kwantowych”. Jedne z najbardziej znaczących osiągnięć konsorcjum dotyczą zwiększenia wierności bramek dwukubitowych oraz minimalizacji przesłuchów oraz błędów transportu jonów. Zwiększenie liczby kubitów w komputerze kwantowym z 127 obecnie do milionów będzie wymagało kontrolowania z dużą dokładnością każdego kubitu bądź pary kubitów z osobna. Przesłuch, czyli zjawisko, w którym manipulacja jednego kubitu wpływa na inne, znacznie komplikuje korektę błędów kwantowych, ponieważ błędy nie są wtedy lokalne ani przewidywalne. „W ramach prac nad projektem MicroQC osiągnięto wierność bramek dwukubitowych na poziomie 99,7 %, ograniczono niepożądany przesłuch do sąsiednich kubitów do mniej niż 10-7 i opracowano plan działań dotyczący obliczeń kwantowych w skali użytkowej z wykorzystaniem milionów kubitów. Te i inne rekordy świata w dziedzinie obliczeń kwantowych z wykorzystaniem uwięzionych jonów zostały pobite w toku naszych prac”, dodaje Vitanov.
Przyszłość przetwarzania informacji kwantowych w oparciu o mikrofale
Wiedza, wgląd i doświadczenie zdobyte w ramach projektu podsumowano w planie działań na rzecz wysokiego poziomu gotowości technologicznej do mikrofalowego przetwarzania informacji kwantowych z wykorzystaniem uwięzionych jonów. Realizacja projektu dobiegła już końca, ale przełomowe odkrycia znajdą praktyczne zastosowanie w komputerach kwantowych przyszłości, które będą rozwiązywać rzeczywiste problemy, dzięki założonym podczas projektu start-upom Universal Quantum, Qudora Technologies i EleQtron.
Słowa kluczowe
MicroQC, kubit, mikrofale, komputery kwantowe, uwięziony jon, przesłuch, wierność, pole magnetyczne, obliczenia kwantowe, złącza X
