До настоящего времени многие исследовательские группы создали маленькие но функциональные квантовые компьютеры. Объединяя горстку атомов, электронов или соединений сверхпроводимости, исследователи теперь регулярно демонстрируют квантовые эффекты и управляют простыми квантовыми алгоритмами – небольшие программы, посвященные решению конкретных проблем.
Но эти лабораторные устройства часто соединяются проводами, чтобы управлять одной программой или ограничиваются фиксированными образцами взаимодействий между квантовыми элементами. Создание квантового компьютера, который может управлять произвольными алгоритмами, требует правильного вида физической системы и комплекса программирования инструментов. Атомные ионы, заключенные областями от соседних электродов, среди самых многообещающих платформ для удовлетворения этих потребностей.
В работе, опубликованной как тема номера по своей природе 4 августа, исследователи, работающие с Кристофером Монро, человеком Совместного Квантового Института и Совместного Центра Квантовой Информатики и вычислительной техники в Университете Мэриленда, ввели первый полностью программируемый и реконфигурируемый квантовый компьютерный модуль. Новое устройство, названное модуль из-за его потенциала, чтобы соединиться с копиями себя, использует в своих интересах уникальные свойства, предлагаемые пойманными в ловушку ионами, чтобы управлять любым алгоритмом на пяти квантовых битах или кубитами – основная единица информации в квантовом компьютере.
«Для любого компьютера, чтобы быть полезным, пользователь не должен быть обязан знать то, что внутри», говорит Монро. «Очень немного людей заботятся о том, что их iPhone на самом деле делает на физическом уровне. Наш эксперимент приносит высококачественным квантовым битам до более высокого уровня функциональности, позволяя им программироваться и повторно формироваться в программном обеспечении».Новый модуль строит на десятилетиях исследования заманивания в ловушку и управления ионами. Это использует стандартные методы, но также и вводит новые методы для контроля и измерения.
Это включает управление многими ионами, сразу используя множество сильно сосредоточенных лазерных лучей, а также посвященные каналы обнаружения, которые наблюдают за жаром каждого иона.«Это виды открытий, что Пограничная программа Центров Физики NSF предназначена, чтобы позволить», говорит Джин Коттэм Аллен, директор программы в подразделении физики Национального научного фонда. «Эта работа в границе квантового вычисления, и это помогает положить начало и приблизить практическое квантовое вычисление к тому, чтобы быть действительностью».Команда проверила их модуль на маленьких случаях трех проблем, которые квантовые компьютеры, как известно, решают быстро.
Наличие гибкости, чтобы проверить модуль на множестве проблем является важным шагом вперед, говорит Шэнтэну Дебнэт, аспирант в JQI и ведущий автор газеты. «Непосредственно соединяя любую пару кубитов, мы можем повторно формировать систему, чтобы осуществить любой алгоритм», говорит Дебнэт. «В то время как это – всего пять кубитов, мы знаем, как применить ту же самую технику к намного большим коллекциям».В сердце модуля, тем не менее, что-то, что это даже не квант: база данных хранит лучшие формы для лазерных импульсов, которые ведут квантовые логические вентили, стандартные блоки квантовых алгоритмов. Те формы вычислены загодя, используя обычный компьютер, и модуль использует программное обеспечение, чтобы перевести алгоритм на импульсы в базе данных.Соединение частей
Каждый квантовый алгоритм состоит из трех основных компонентов. Во-первых, кубиты подготовлены в конкретном государстве; во-вторых, они подвергаются последовательности квантовых логических вентилей; и в последний раз, квантовое измерение извлекает продукцию алгоритма.Модуль выполняет эти задачи, используя различные цвета лазерного света.
Один цвет готовит ионы, используя технику, названную оптической перекачкой, в которой освещен каждый кубит, пока это не сидит в надлежащем квантовом энергетическом государстве. Тот же самый лазер помогает читать квантовое состояние вслух каждого атомного иона в конце процесса.
Промежуточный, отдельный лазер ударяет ионы, чтобы вести квантовые логические вентили.Эти ворота похожи на выключатели и транзисторы та власть обычные компьютеры. Здесь, лазеры спешат ионы и соединяют их внутреннюю информацию о кубите с их движением, позволяя любые два иона в модуле взаимодействовать через их сильное электрическое отвращение.
Два иона со всех концов цепи замечают друг друга через это электрическое взаимодействие, так же, как подъем и выпуск одного шара в колыбели Ньютона передает энергию другой стороне.Реконфигурируемость лазерных лучей – главное преимущество, говорит Дебнэт. «Уменьшая алгоритм в серию лазерных импульсов, которые спешат соответствующие ионы, мы можем повторно формировать проводку между этими кубитами с внешней стороны», говорит он. «Это становится проблемой программного обеспечения и никаким другим квантом, у вычислительной архитектуры есть эта гибкость».
Чтобы проверить модуль, команда управляла тремя различными квантовыми алгоритмами, включая демонстрацию Quantum Fourier Transform (QFT), которое находит, как часто данная математическая функция повторяется. Это – основная часть в квантовом алгоритме факторинга Шора, который нарушил бы некоторые наиболее широко используемые стандарты безопасности в Интернете, если работается достаточно большой квантовый компьютер.
Два из алгоритмов управляли успешно больше чем 90% времени, в то время как QFT достиг высшего уровня по 70%-му показателю успешности. Команда заявляет, что это происходит из-за остаточных ошибок в воротах, имеющих форму пульса, а также систематических ошибок, которые накапливаются в течение вычисления, ни один из которых кажутся существенно непреодолимыми.
Они отмечают, что алгоритм QFT требует всех возможных ворот с двумя кубитами и должен быть среди самых сложных квантовых вычислений.Команда полагает, что в конечном счете больше кубитов – возможно, целых 100 – могло быть добавлено к их квантовому компьютерному модулю. Также возможно соединить отдельные модули, или физически движущимся ионы или при помощи фотонов, чтобы нести информацию между ними.Хотя у модуля есть только пять кубитов, его гибкость допускает программирование квантовых алгоритмов, которыми никогда не управляли прежде, говорит Дебнэт.
Исследователи теперь надеются управлять алгоритмами на модуле с большим количеством кубитов, включая демонстрацию квантовых режимов исправления ошибок как часть проекта, финансируемого Деятельностью Проектов Перспективного исследования Разведки.