Kuantum Sistemleri Hızlandırıcı (QSA) üzerindeki disiplinlerarası ekipler, bugünün NISQ (gürültülü ara ölçekli kuantum) sistemleri ve gelecekteki arıza toleranslı sistemler arasındaki boşluğu yönlendirerek, etkili bilim uygulamaları olan Süper iletken kubbit teknolojisinin sınırlarını zorlamak için yenilikçi yaklaşımlar kullanıyor.
QSA, ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Kuantum Bilimleri (QIS) araştırma merkezlerinden biridir ve 15 ortak kurumdaki kuantum bilgi bilimi (QI) ve mühendislik önde gelen öncüleri bir araya getirir.
Çok düşük sıcaklıklara soğutulduğunda kuantum etkileri sergileyen alüminyum veya niyobyum gibi süper iletken malzemelerden bir süper iletken kubit yapılır (tipik olarak yaklaşık 20 millikelvin veya -273.13 ° C). Üniversiteler ve ulusal laboratuvarlardaki çok sayıda teknoloji şirketi ve araştırma ekibi, bu hızla büyüyen alanda prototip bilimsel bilgi işlem için süper iletken kubitlerden yararlanıyor.
Bununla birlikte, süper iletken kuantum işlemcilerin kontrol edilmesi, kalibre edilmesi ve işletilmesindeki birçok zorluk şu anda kupit performansı engellemekte ve özellikle karmaşık malzeme sistemlerini araştırmak için mümkün olan simülasyon türlerini kısıtlamaktadır.
Kuantum simülasyonunun ilerlemesi
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve MIT Lincoln Laboratuvarı’ndaki QSA ekipleri, yüklü parçacıkların süper iletken kubitler kullanılarak sentetik elektromanyetik alanlar altında nasıl davrandığını simüle etti.
Sonuçlarını 2024 sonbaharında yayınlamak Doğa fiziğiekip 4 x 4 ızgarada düzenlenmiş iki boyutlu 16 süper iletken transmon kubit dizisi geliştirdi. Her bir kubit için bağımsız elektrik kontrol hatları kullanarak kubitlerin özelliklerini sürekli sinyallerle değiştirdiler. Quit ızgarasının ortaya çıkan davranışı, elektromanyetizmde yüklü parçacıkların malzemelerde nasıl hareket ettiğini etkileyen önemli bir kavram olan manyetik bir vektör potansiyelini taklit eder.
Mit’in baş yazarı Ilan Rosen, “Şimdi istediğimiz herhangi bir elektromanyetik alanda – istediğimiz herhangi bir elektromanyetik alanda – hatta laboratuvar ortamında pratik olarak mümkün olanın ötesinde alanlar bile – ve kuantum parçacıklarının hareketinin alanda nasıl değiştiğini izleyebiliriz.
Ekip, yüklü bir parçacığın dik bir manyetik alan altında bir malzemeden hareket ederken yanlara saptığı salon etkisini gözlemleyerek sentetik elektromanyetik alanlar üretme yaklaşımını doğruladı. Gerçek malzemelerde, salon etkisi malzeme boyunca bir voltaja yol açar, bu nedenle deneyleri kesin kontrol ve mühendisliğin kuantum simülatörlerinin yeteneklerini nasıl genişlettiğini göstermiştir.
Önceki çalışmalarını genişleten, süper iletken kubit dizilerinin programlanabilirliğinden yararlanan MIT ve MIT Lincoln Laboratuvarı’ndaki QSA ekipleri, parçacık davranışı ve lokalizasyonunu incelemek için başka bir benzersiz yaklaşım geliştirdi. Tek boyutlu bir eşkenar eşek kafesi oluşturmak için 4 × 4 ızgaradan on kupit seçtiler. Bu kubit konfigürasyonu, araştırmacıların partikül taşımacılığını ve grup hızını esnek bir şekilde manipüle etmelerini sağladı ve yoğun madde fiziğinde karmaşık fenomenlere ışık tuttu.
Sonuçlar şu adreste yayınlandı Arxiv 2024’te Preprint Server.
Ekip, sentetik elektromanyetik alanı kullanarak bu kafesi ayarlayabildi. Alan olmadan, parçacıklar serbestçe hareket eder (dağıtıcı bant rejimi), ancak manyetik alan arttığında, parçacıklar yavaşlar ve sonunda kafese (düz bant rejimi) sıkışır. Bozukluğun (rastgele enerji varyasyonları) tanıtımı, ayarlanabilir düz bant yapısından kaynaklanan ayırt edici taşıma tepkilerini incelemek için de kullanılır.
“Çalışmamız, kuantum simülatörlerine (elektromanyetik alanlar gibi) yeni yetenekler eklemenin, etkili fiziksel sistemleri incelememize el koyduğunu göstermektedir. Bu tekniklerin, daha büyük kafeslere kolayca genişletilebilir, burada yoğun madde fiziği teorileri tarafından öngörülen egzotik kuantum fazlarını inceleyebileceğimiz.”
Öncü kontrol sistemleri
Programlanabilir süper iletken kubbit platformları temel araştırmaları ilerlettikçe, sağlam kontrol sistemleri için artan bir ihtiyaç vardır. Araştırmacıların kuantum bilgi sistemlerini kontrol etmeleri ve yönlendirmesi, gerçek zamanlı kupit ölçümleri gerçekleştirmeleri gerekir. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki (Berkeley Lab) bir QSA ekibi, Qubic 2.0 adlı Modüler Tarla Programlanabilir Kapı Dizisi (FPGA) tabanlı bir elektronik kontrol sistemi inşa ederek sonuçlarını yayınladı. Arxiv Preprint Server, (selefi Qubic’i inşa ettikten sonra).
Qubic 2.0, süper iletken kuantum sistemleri için benzersiz bir şekilde uyarlanmıştır ve tamamen açık kaynaktır, bu da onu daha geniş bir topluluk için kullanılabilir hale getirir. Kubitleri kontrol etmek ve ölçmek için istenen radyo frekans darbelerini gerçekleştirmek için oda sıcaklığı elektronik donanımı, FPGA kapı yazılımı ve mühendislik yazılımı ile çalışır. Tamamen açık kaynaklı Qubic 2.0 kapı yazılımı, araştırmacılar için tüm kontrol katmanlarına enfes düşük seviyeli erişim sağlar ve başkalarının ürünün evrimine katılmasını ve geri bildirim sağlamasını sağlar.
“Qubic 2.0 (ve selefi Qubic), alanda geliştirilen yeni platformlar için modüler, ölçeklenebilir ve uygun maliyetli bir quit kontrol donanım sistemi ve özelleştirilmiş mühendislik çözümü sağlar. Topluluk geri bildirimi, qSA’nın ilerlediği ve qubic tasarımı ile ilgili diğer kuantum bilgi işlem prototipleri ve teknolojileriyle potansiyel olarak uyumlu hale getirir,” (ATAP) Berkeley Laboratuarında Bölüm.
Qubic 2.0 ayrıca yapay zeka (AI) ve makine öğrenimindeki en son gelişmelerden yararlanır. Çok katmanlı bir özel sinir ağını doğrudan FPGA çipine entegre eder. Ekibin deneysel sonuçlarına göre, AI ile çalışan FPGA, devlet ayrımcılığı için sadece 54 ns çıkarım süresi alır ve kuantum okuma sadakatini% 92’den% 98’e çıkarır.
“Qubic 2.0’ın yetenekleri ile, orta devre ölçümü ve besleme tekniklerine ulaşılabilir, bu da gelişmiş kuantum algoritmalarının ve daha geniş bir deney sınıfının gerçekleşmesini sağlar. Bu kontrol sistemi, qSA ve daha geniş ekosiya, quarmun’da artan talepleri karşılar,” qSA’da ve daha geniş ekosiya, quarmun, daha geniş ekosymun, quantun, quantun, “dedi” Berkeley Lab’ın ATAP Bölümü.
Performansı Değerlendirme
Süper iletken kubit kullanan yeni yaklaşımların bir başka örneği, Berkeley Lab ve Sandia Ulusal Laboratuvarları ile işbirliği içinde Kaliforniya Üniversitesi Berkeley’deki bir araştırmacı ekibi tarafından yönetildi. Araştırmacılar, binlerce kubit için ölçeklenebilen ayna randomize kıyaslama (MRB) adı verilen kuantum mantık kapılarının performansını değerlendirmek için yeni bir teknik sundular. Randomize kıyaslama gibi yaygın olarak kullanılan birçok yöntem, az sayıda kubitin ötesinde pratik değildir.
Sonuçları, yayınlandı Fiziksel inceleme xyöntemin oldukça uyarlanabilir olduğunu gösterin, maliyetli hesaplamalar olmadan belirli kapıların ve hatta algoritmaların performansını incelemenin bir yolunu oluşturun.
“MRB’nin ölçeklenebilirliği, standart bir ve iki küstah kriter tarafından kaçırılan çoklu küstah çapraz hataları doğru bir şekilde yakalamasına izin verir. Bu karışma hataları performansa son derece zararlı olabilir.
Süper iletken kubit platformlarına odaklanan QSA ekipleri, yeni ortaya çıkan kuantum teknolojilerinin sınırlarını zorluyor ve gelişmiş bilgi işlem ve karmaşık fenomenlerin keşfi için yeni olanaklar açıyor. Sentetik elektromanyetik alanları ve parçacık davranışını simüle etmekten ölçeklenebilir kontrol sistemleri ve gelişmiş kıyaslama teknikleri geliştirmeye kadar, çok yönlü kuantum sistemlerinin yolunu açarlar.
QSA’daki kesintisiz işbirliği, hataya dayanıklı kuantum hesaplamaya yönelik ilerlemeyi hızlandırmaya ve kubit teknolojileri hakkında ders alışverişi için yeni fırsatlar yaratmaya devam edecektir.
