Standart kuantum bilgi işlemenin geliştirilmesi

Kuantum bilgisayarların tam potansiyele ulaşabilmesi için milyonlarca kuantum bitine veya kübit olarak adlandırılanlara ihtiyaçları var. Ancak kuantum bilgi işleme sistemleri birçok kübite ölçeklendiğinde zorluk ortaya çıkıyor. Az sayıda kübitin kontrol edilmesi oldukça karmaşık elektronik cihazlar gerektirir ve bu karmaşık devrelerin ölçeğinin büyütülmesi büyük bir engel teşkil eder.

Son teorik araştırmalarda, Rhode Island Üniversitesi’nden profesör Vanita Srinivasa liderliğindeki bir fizikçi ekibi, kuantum işlemcilerin uyum içinde çalışmalarını sağlamak için uzun mesafelerdeki kubitleri birbirine bağlamak üzere esnek bir şekilde ölçeklendirmek için modüler bir sistem öngörüyor. kuantum işlemlerini gerçekleştirmek için. Bağlantılı kübitler arasında bu tür ilişkili veya “dolaşık” işlemleri gerçekleştirme yeteneği, kuantum hesaplamanın mevcut bilgisayarlar üzerindeki gelişmiş gücünün temelidir. Srinivasa ve Jacob M. tarafından ortak yazılan, araştırmalarıyla ilgili yeni bir makale. Maryland Üniversitesi ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden Taylor ve Jason R. Dergide Los Angeles’taki Kaliforniya Üniversitesi’nden beta Kuantum PRX.

Srinivasa, “Kuantum bilgisayardaki her bir kübit belirli bir frekansta çalışır. Bir kuantum bilgisayarın benzersiz yeteneklerinin farkına varılması, her bir kübiti farklı bir frekans aracılığıyla kontrol etme yeteneğine ve aynı zamanda frekanslarını eşleştirerek kübit çiftlerini birbirine bağlama yeteneğine bağlıdır.” dedi. , Rhode Island Üniversitesi Kuantum Bilgi Bilimleri Programı direktörü ve Fizik Bölümünde Yardımcı Doçent. “Bir kuantum işlemci daha fazla sayıda kübite ölçeklendikçe, her iki işlemi de kübit başına aynı anda gerçekleştirme yeteneği giderek zorlaşıyor. Çalışmamızda, birden fazla kübiti birbirine bağlamak için salınımlı voltajların etkili bir şekilde nasıl ek frekanslar ürettiğini açıklıyoruz. Bu, kübitlerin birbirine bağlanmasına ve aynı zamanda her kübitin bireysel kontrol için farklı bir frekansı korumasına olanak tanır.”

Kuantum işlemcileri oluşturmak için yarı iletkenleri kullanmak, kubitleri büyük sayılara ölçeklendirmek için prensipte çok umut vericidir. Srinivasa, günümüzün gelişmiş yarı iletken teknolojisinin milyarlarca minik transistörlü çip üretiminin temelini oluşturduğunu ve minik kuantum bitleri yapmak için kullanılabileceğini söyledi. Ek olarak, kübitlerin elektronların ve diğer yarı iletken parçacıkların spin olarak bilinen dahili bir özelliğinde depolanması, her kuantum hesaplama platformunda bulunan kuantum bilgi kaybına karşı gelişmiş koruma sağlar.

Bununla birlikte, giderek daha fazla dönen kübit ve bunlarla ilişkili kontrol devrelerini tek bir kübit kümesine ekleyerek bir kuantum işlemcinin ölçeğini büyütmek, pratikte çok zordur. Srinivasa ve meslektaşlarının teorik çalışması, frekanslarını eşleştirme esnekliği ile uzun mesafelerde dönen kübitleri dolaştırmanın birden fazla yolunu gösteren adım adım bir kılavuz sağlayarak bu sorunu ele alıyor.

Ortaya çıkan esneklik, bugün zaten üretilebilen ve güçlü, uzun menzilli dolaşıklıklarla birbirine bağlanan küçük kübit gruplarını (modüller) kullanarak çok kübitli sistemler oluşturmaya alternatif bir yaklaşımı temsil eden modüler yarı iletken tabanlı kuantum bilgi işlemenin yolunu açıyor. bağlantılar.

“Ölçeklendirmeye yönelik bu yaklaşım, bireysel birimlere benzeyen sabit boyutlu Lego blokları kullanarak daha büyük bir sistem inşa etmek ve bunları, dış etkiler bağları koparmadan önce bloklar arasındaki teması yeterince uzun süre koruyacak kadar güçlü olan daha uzun parçalar kullanarak bağlamak gibidir.” Srinivasa dedi. “Kubitler arasında hızlı ve güvenilir uzun menzilli bağlantıların mevcut olması koşuluyla, bu modüler yaklaşım, dönen kübit kontrol devreleri için daha fazla alan sağlarken ölçeklendirmeye de olanak tanıyor.” Tamamen modüler yarı iletken tabanlı kuantum işlemciler henüz kanıtlanmamıştır.

Pek çok kübit türü ve bunlara karşılık gelen çeşitli etkileşim yolları olsa da, araştırmacılar, süper iletken bir boşlukta mikrodalga fotonları yoluyla etkileşime giren kuantum noktalarına dayalı olarak spin kübitleri incelemeyi seçtiler. Kuantum noktaları, elektronları ve kuantum bitlerini tanımlamak için kullanılan diğer parçacıkları bir yarı iletken içindeki küçük boşluklara hapsetmek ve bunları voltaj uygulayarak ayrı ayrı kontrol etmek için oluşturulan atom benzeri yapılardır. Benzer şekilde, süper iletken boşluklar, fotonları sınırlayan, ancak kuantum noktalarından çok daha büyük olan ve boyutları mikrodalgaların dalga boyuna göre belirlenen fabrikasyon yapılardır.

Son deneyler, mikrodalga boşluğu fotonları kullanılarak kuantum nokta kübitleri arasında uzun menzilli bağlantılar olduğunu göstermiştir. (Silikondaki iki dönen kübitin ilk gösterimi, ortak yazar Jason Beta’nın deneysel araştırma grubu tarafından gerçekleştirildi.)

Ancak makale, kübit ve fotonun tüm frekanslarının tam olarak eşleşecek ve enerji alışverişi yapabilecek şekilde (rezonans adı verilen bir durum) ince ayar yapılmasının, bir bağlantı oluşturmak için sadece kübit seviyesinde bile sorunlu olduğunu söylüyor. Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, tüm orijinal kübit ve boşluk frekansları arasındaki eşzamanlı rezonanslara dayanmayan, mikrodalga fotonları kullanarak kübit birleştirmeye yönelik oldukça ayarlanabilir bir yaklaşım sundular.

Araştırmacılar makalelerinde, her kübitin belirli bir frekanstaki mikrodalga boşluklu fotonlara bağlanması için birden fazla frekans sağlayarak esnekliğe izin veren özel uzun menzilli dolaşmış bağlantılar oluşturmak için kapsamlı yönergeler sağlıyor; “belirli bir kilide sığabilecek birden fazla anahtar gibi, ” dedi Srinivasa.

Kuantum noktalarında dönüşleri ileri geri hareket ettiren her dönen kübite salınımlı bir voltaj uygulanarak ek frekanslar üretilebilir. Bu ileri geri hareket yeterince hızlıysa, karakteristik frekansına ek olarak her bir kübit için orijinal kübit frekansından biri daha yüksek, diğeri daha düşük olmak üzere iki yan frekans oluşturulur.

Yan bant frekanslarının eklenmesi, her kübitin mikrodalga boşluğu fotonlarıyla rezonansa ayarlanması için üç yol sağlar ve dolayısıyla iki kübitin birleştirilebileceği dokuz farklı koşul ortaya çıkar.

Rezonans koşullarındaki bu esneklik, kübitlerin bir sisteme eklenmesini çok daha kolay hale getirecektir çünkü hepsinin aynı frekansa ayarlanmasına gerek yoktur. Dahası, iki kübitin bağlanabileceği dokuz yol, kuantum noktalarının veya boşluk fotonlarının yapısını değiştirmeye gerek kalmadan, salınım voltajlarını uygun şekilde ayarlayarak birkaç farklı dolaşıklık türünün seçilmesine olanak tanır.

Dolaşmış bağ türlerinin çeşitliliği, hesaplamaların gerçekleştirilebileceği genişletilmiş bir dizi temel kuantum işlemine olanak tanır. Son olarak araştırmacılar, önerilen dolaşma yönteminin boşluktan foton sızıntısına karşı önceki yöntemlere göre daha az duyarlı olduğunu ve spin kübitleri arasında daha güçlü uzun menzilli bağlantılara izin verdiğini gösterdi.

Srinivasa, “Frekans eşleştirmedeki esneklik, kübitler arasındaki dolaşma süreçlerinin türlerini tasarlamadaki çok yönlülük ve boşluktaki foton sızıntısına karşı düşük hassasiyetin birleşimi, önerdiğimiz yan frekansa dayalı yaklaşımımızı, yarı iletken kübitleri kullanan modüler bir kuantum işlemci elde etmek için umut verici hale getiriyor.” söz konusu. “Bu fikirleri laboratuvardaki gerçek kuantum cihazlarına uygulayacak ve yaklaşımın pratikte işe yaraması için ne yapmamız gerektiğini görecek bir sonraki adım için heyecanlıyım.”