Kuantum bilgisayarların fizik, kimyada ve ötesindeki zorlu sorunlarla başa çıkmak için çok sayıda kubite ihtiyacı olacaktır. Klasik bitlerin aksine, kubitler aynı anda iki eyalette var olabilir – süperpozisyon adı verilen bir fenomen. Kuantum fiziğinin bu tuhaflığı, kuantum bilgisayarlara belirli karmaşık hesaplamaları klasik meslektaşlarından daha iyi yapma potansiyeli verir, ancak aynı zamanda kubitlerin kırılgan olduğu anlamına gelir. Telafi etmek için araştırmacılar, hataları düzeltmek için ekstra, gereksiz kubitlerle kuantum bilgisayarlar inşa ediyorlar. Bu nedenle sağlam kuantum bilgisayarlar yüz binlerce kubit gerektirecektir.
Şimdi, bu vizyona doğru bir adımda, Caltech fizikçileri şimdiye kadar monte edilen en büyük kubbit dizisini yarattı: Lazerler tarafından bir ızgarada sıkışmış 6.100 nötr atom kubit. Bu tür önceki diziler sadece yüzlerce kubit içeriyordu.
Bu kilometre taşı, kuantum bilgisayarları ölçeklendirmek için hızla büyüyen bir yarışın ortasında geliyor. Yeni çalışmada kullanıldığı gibi, süper iletken devrelere, tuzağa düşmüş iyonlara ve nötr atomlara dayananlar da dahil olmak üzere geliştirmede çeşitli yaklaşımlar vardır.
Caltech fizik profesörü Manuel Endres, “Bu nötr atomlu kuantum bilgi işlem için heyecan verici bir an” diyor. “Artık büyük hata düzeltilmiş kuantum bilgisayarlara giden bir yol görebiliriz. Yapı taşları mevcut.” Endres, bugün yayınlanan araştırmanın baş araştırmacısıdır. Doğa. Üç Caltech lisansüstü öğrencisi çalışmaya liderlik etti: Hannah Manetsch, Gyohei Nomura ve Elie Bataille.
Ekip, binlerce bireysel sezyum atomunu bir ızgaraya tuzağa düşürmek için optik cımbız kullandı – çok odaklanmış lazer ışınları -. Atom dizisini inşa etmek için, araştırmacılar bir lazer ışını 12.000 cımbız haline getirdiler, bu da birlikte bir vakum odasında 6.100 atom tuttu. “Ekranda, her kubiti aslında bir ışık noktası olarak görebiliriz,” diyor Manetsch. “Kuantum donanımının büyük ölçekte çarpıcı bir görüntüsü.”
Önemli bir başarı, bu daha büyük ölçeğin kalite pahasına gelmediğini gösteriyordu. Tek bir dizide 6.000’den fazla kubit olsa bile, ekip onları yaklaşık 13 saniye boyunca süperpozisyonda tuttu – önceki benzer dizilerde mümkün olandan neredeyse 10 kat daha uzun – bireysel kubitleri% 99,98 doğrulukla manipüle ediyor.
Nomura, “Büyük ölçekte daha fazla atomla, genellikle doğruluk pahasına olduğu düşünülüyor, ancak sonuçlarımız her ikisini de yapabileceğimizi gösteriyor.” “Kubitler kalite olmadan yararlı değil. Şimdi miktar ve kalitemiz var.”
Ekip ayrıca, süperpozisyonu sürdürürken atomları dizi boyunca yüzlerce mikrometreyi hareket ettirebileceklerini gösterdi. Kupitleri servis etme yeteneği, süper iletken kubitler gibi geleneksel, kablolu platformlara kıyasla daha verimli hata düzeltmesi sağlayan nötr atomlu kuantum bilgisayarların temel bir özelliğidir.
Manetsch, bireysel atomları hareket ettirirken, bir bardak suyu koşarken bir bardak dengelemekle karşılaştırır. “Hareket ederken bir atom tutmaya çalışmak, bardakların devrilmesine izin vermemeye çalışmak gibidir. Atomu bir süperpozisyon durumunda tutmaya çalışmak, su sıçramasına kadar hızlı koşmamaya dikkat etmek gibidir” diyor.
Alan için bir sonraki büyük kilometre taşı, binlerce fiziksel kubit ölçeğinde kuantum hata düzeltmesi uygulamaktır ve bu çalışma nötr atomların oraya ulaşmak için güçlü bir aday olduğunu göstermektedir.
Bataille, “Kuantum bilgisayarların bilgileri hatalara toleranslı bir şekilde kodlaması gerekecek, böylece aslında değer hesaplamaları yapabiliriz.” “Klasik bilgisayarlardan farklı olarak, kubitler, klon olmayan teorem olarak adlandırılan sadece kopyalanamaz, bu nedenle hata düzeltmesi daha ince stratejilere güvenmelidir.”
İleriye baktığımızda, araştırmacılar dizilerindeki kubitleri, parçacıkların ilişkili hale geldiği ve bir şekilde davrandığı bir dolaşma durumunda birbirine bağlamayı planlıyorlar. Dolaşma, kuantum bilgisayarların bilgiyi süperpozisyonda saklamanın ötesine geçmesi için gerekli bir adımdır; Dolaşma, tam kuantum hesaplamalar yapmaya başlamalarına izin verecektir. Kuantum bilgisayarlara nihai güçlerini veren şeydir – dolaşımın her ölçekte maddenin davranışını şekillendirdiği doğanın kendisini simüle etme yeteneği.
Amaç açıktır: Yeni maddenin yeni aşamalarını ortaya çıkarmaktan yeni materyallerin tasarımına rehberlik etmeye ve uzay-zamanını yöneten kuantum alanlarını modellemeye kadar yeni bilimsel keşiflerin kilidini açmak için dolaşımdan yararlanmak.
Manetsch, “Evren hakkında sadece kuantum mekaniğinin bize öğretebileceği şekilde öğrenmemize yardımcı olacak makineler yaratmamız heyecan verici.”
