«Рассказы о топологических кубитах»

«Раскрываем тайны топологических кубитов»

Квантовые компьютеры быстро увеличиваются в масштабах. Производители ожидают преодолеть барьер в тысячу кубитов к 2024 году, а затем добиться миллиона в следующее десятилетие. Несмотря на эти успехи, технология сталкивается с огромной проблемой. Чтобы справиться с практическими задачами, каждый кубит должен иметь возможность пройти через множество логических операций, прежде чем его хрупкое состояние рушится. Однако кубиты в современных технологиях слишком нестабильны для этого без обширной коррекции ошибок.

Передовые техники коррекции ошибок создают виртуальные кубиты из 20 и более физических кубитов, чтобы обеспечить достаточную стабильность. Даже с этим они могут выполнять только простые операции, прежде чем ошибки станут слишком значительными. Хотя основной план заключается в поиске способов лучше стабилизировать кубиты, чтобы предоставить больше пространства для коррекции ошибок, есть и другая возможность. Это использовать другую технологию, которая может использовать врожденные квантовые эффекты для создания гораздо большей степени устойчивости к сбоям в устройстве.

Вместо того чтобы иметь кубит, отражающий изменения состояния отдельных элементарных частиц, эти будущие машины будут полагаться на манипулирование квазичастицами. Они, по-видимому, перемещаются и взаимодействуют так же, как точковые элементарные частицы, но образованы из высокоспайных комбинаций этих элементарных частиц. Некоторые типы квазичастиц, которые на данный момент существуют только в теории, могут предложить значительные преимущества на двух фронтах. То есть природа связывания должна действовать как защита от шума.

В аналогии, использованной Джейсоном Алисе, доцентом теоретической физики Калифорнийского технологического института (Caltech), связанные квантовые состояния в квазичастице ведут себя как стая птиц – стая движется как единое целое, хотя отдельные птицы часто отклоняются от общего курса.

• Раскрытие будущего искусственного интеллекта с Джепсоном Тейлором
• Ров для корпоративного ИИ – это RAG + настройка вот почему
• Метрики оценки для классификации за пределами точности

Другим преимуществом является то, что они могут облегчить создание оборудования: с правильным видом квазичастиц взаимодействия между ними моделируют действия всех логических вентилей, необходимых для универсального квантового компьютера. Это контрастирует с существующими архитектурами, которые не могут напрямую реализовать вентили, необходимые для универсальных вычислений, и используют обходные пути для имитации поведения некоторых из этих вентилей.

Квазичастицы, подходящие под профиль, являются анионами, которые ограничены движением только в двух измерениях, а не в трех. Это простое ограничение приводит к гораздо более сложным взаимодействиям между ними, чем наблюдаемыми для элементарных частиц. В случае неабелевых анионов такие взаимодействия должны быть моделированы как матричные умножения, аналогично вентилям квантовых компьютеров, которые сами моделируются как матричные операции. Последовательность вычислений может выполняться путем последовательных операций “переплетения”. Это обмены между разными анионами, созданными перемещением их вокруг друг друга в двумерном (2D) пространстве.

К сожалению, анионы нужного вида остаются теоретическими, и даже заявления о их обнаружении вызвали споры. В одном случае команда ученых из Нидерландов заявила в 2018 году, что обнаружила подходящие квазичастицы в сверхпроводящих проводах, но отозвала свою статью, когда выяснилось, что эксперименты не представляют определенных доказательств неабелевого поведения. Одна из основных проблем во всех этих экспериментах заключается в том, чтобы определить, являются ли тонкие изменения поведения результатом появления анионов или вызваны какими-то другими физическими свойствами, которые имитируют желаемое свойство.

Хотя материалы, способные поддерживать неабелевское поведение, еще не были продемонстрированы удовлетворительно, сочетание улучшений теорий электромагнитных полей, описывающих поведение анионов, в сочетании с быстрым увеличением мощности в современных шумных квантовых компьютерах, позволило изучить, как бы они себя вели.

Квантовая компьютерная группа Google сотрудничала с теоретиками из Корнельского университета, чтобы продемонстрировать ожидаемое поведение обмена одного класса анионов на квантовом компьютере на основе сверхпроводников, этот тип оборудования был выбран из-за его способности ограничивать движение до двумерной решетки, хотя он не является прямым отражением квантового связывания физического аниона. Команда, базирующаяся на Университете Чжэцзян и Институте Хэфея в Китае, использовала похожий подход в своем собственном моделировании обмена электрическими и магнитными зарядами между анионами для применения последовательности простых логических вентилей к анионоподобным комбинациям кубитов.

На данный момент эксперименты не работают на типах анионов, которые могут поддерживать полный набор квантовых вентилей.

В одном из первых экспериментов, проведенных на аппарате H2 от компании Quantinuum, ученые сотрудничали с исследователями из Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института (Caltech), используя возможность такого рода квантового компьютера связывать каждый кубит с любым другим, чтобы продвинуться дальше в их понимании физики, реплицируя основные состояния аниона. Однако один желательный элемент, отсутствующий в реализациях на аппаратном обеспечении квантовых вычислений, это естественный энергетический зазор, который должен действовать для подавления ошибок при манипулировании анионом. “Тогда квантовая коррекция ошибок становится важной для достаточно точной работы, которая будет необходима для приложений”, – говорит Алисеа.

Для Рубена Верресена, постдокторанта Гарвардского университета исследовательской программы по квантовой механике, разницу между anyon на основе материала и реализацией, которую он и его коллеги создали на аппаратуре Quantinuum, можно сравнить с аналогией между естественно замороженным льдом и льдом, сформированным “захватом атомов и их правильной укладкой”. После того, как поля, удерживающие эти атомы на месте в искусственной версии, освобождаются, кубик просто рассеивается. Будущие эксперименты, говорит он, покажут, как повторные измерения и коррекции могут поддерживать anyonic состояния продолжительное время для выполнения более крупных вычислительных операций.

“Я вижу эти инженерные квантовые системы как интересные системы сам по себе. Они не являются просто ступеньками к лучшему пониманию традиционных подходов к твердотельной электронике”, – добавляет Верресен.

Важным элементом этих экспериментов является то, что они позволяют исследовать множество различных форм anyon, которые потенциально могут быть реализованы в новых материалах. До сих пор эксперименты не были проведены с типами anyon, которые могут поддерживать полный набор квантовых вентилей. Работа Верресена и его коллег до настоящего времени указывает на то, что Фибоначчи-аньоны, которые поддерживают универсальное квантовое вычисление, требуют большего количества ресурсов для создания на машине, такой как Quantinuum. И эти ресурсы масштабируются с размером задачи, что потенциально создает слишком большую нагрузку для более крупных квантовых компьютеров.

Пока не ясно, связана ли дополнительная вычислительная мощность, предположительно предлагаемая Фибоначчи-аньонными состояниями, с большими трудностями их подготовки. “Я думаю, это интересное приглашение для сообщества для концептуального изучения причин, почему Фибоначчи-аньоны труднее подготовить. Не случайно, что Фибоначчи-аньоны более вычислительно мощные, нет ничего бесплатного, даже в квантовом мире”, – говорит Верресен.

Однако исследователи начинают исследовать, могут ли гибридные системы предоставить возможность преодолеть трудности приготовления этих фактически более мощных квантовых состояний. Более простые конструкции anyon могут быть достаточными. “Существуют определенные виды топологических порядков, которые могут обеспечить универсальный вентиль”, – говорит Алиса, комбинируя более простые неабелевы anyon с видами измерений, используемых в традиционной квантовой коррекции ошибок.

Йианнис Пачос, профессор теоретической физики в университете Лидса, Великобритания, говорит, что потенциальный вклад подходов в стиле anyon в саму коррекцию ошибок не должен быть недооценен. “Топологические коды квантовой коррекции ошибок имеют высокие пороги и прекрасную геометрическую интерпретацию. Они являются потенциально лучшими кодами коррекции ошибок, которые мы могли бы иметь.”

Топологические коды коррекции ошибок “потенциально лучшие из возможных кодов коррекции ошибок.”

Юн-А Ким, профессор физики в Корнелле, говорит, что использование anyon-подобного поведения на аппаратуре суперкомпьютеров сегодня может предоставить лучший способ проектирования кодированных коррекцией ошибок кубитов. Коррекция ошибок, применяемая до сих пор на сверхпроводящих машинах, требует “логической хирургии решетки”, как она говорит. Схема кодирования, на основе которой был проведен недавний эксперимент с anyon, который провела ее команда с Google, позволяет кодировать несколько логических топологических кубитов без такой высокой степени логической манипуляции.

Работа, вероятно, будет продолжаться на всех доступных исследователям аппаратных платформах, работающих в области квантовых систем, будь то на основе сверхпроводников, запутанных ионов, фотоники или нескольких других технологий, которые могут эмулировать аспекты anyonic поведения. “Каждая из них имеет свои преимущества”, – говорит Верресен.

Ким стремится использовать платформу сверхпроводника, чтобы получить лучшее понимание свойств различных схем кодирования, которые могут поддерживать логические вентили, необходимые для квантовых компьютеров. “Таким образом, мы можем сравнить наш подход с логической хирургией решетки в смысле”, – говорит она.

Пачос говорит, что в работе его группы над пространственными модуляторами света с командой из Университета Эдинбурга, основное внимание уделялось тому, как эволюционируют квантовые системы, а не моделированию полных anyon состояний. “Я понял, что нам не нужно создавать состояния для выполнения операций”, – говорит он.

Первые попытки выполнить свои эксперименты на платформе сверхпроводника требовали слишком большого количества кубитов, чтобы быть практичными. “Мы связались с людьми из области линзовой оптики и обнаружили, что они могут работать с более высокой надежностью”, – говорит Пачос.

Сотрудничество разных групп в области физики и квантовых вычислений позволило работе продвигаться быстро, добавляет Пачос. “Социальный аспект здесь очень сильный.”

Что остается неясным, так это то, как anyon работа в конечном итоге будет применяться. Алицея объясняет: “В идеальном мире у нас были бы достаточно чистые и контролируемые неабелевы платформы, реализованные в масштабируемых твердотельных устройствах, которые бы устраняли, или по крайней мере остро смягчали, необходимость в квантовой коррекции ошибок.”

Физические anyon могут продолжать оставаться неуловимыми, но остается возможность использовать теории для поддержки более эффективной коррекции ошибок в различных видах квантового оборудования, которое разработчики ожидают масштабировать после преодоления тысячи кубитов. Дальнейшие эксперименты покажут, является ли эмуляция anyon более эффективным способом избежать ошибок в шумном квантовом оборудовании, чем существующие техники. Однако, даже если anyon-подобная коррекция ошибок не будет работать так хорошо, как ожидалось, вероятно, физики будут продолжать применять аппаратуру для работы над этими и другими квазичастицами.

Алисеа приходит к выводу, что, каким бы путем эти неабелевы состояния не были реализованы, они “предлагают чрезвычайно захватывающие возможности для изучения новых эмерджентных квантовых явлений”.

Дальнейшее чтение

Андерсен, Т.И. и др. Неабелево брейдинг графовых вершин в сверхпроводящем процессоре. Природа 618, (2023), 264-269.

Сю, С. и др. Цифровое моделирование проективных неабелевых анионов с 68 сверхпроводящими кубитами. Chinese Physics Letters 40, (2023), 060301.

Икбал, М. и др. Создание неабелевого топологического порядка и анионов на заключенном ионами процессоре. (2023); ArXiv: 2305.03766.

Гоэл, С. и др. Раскрытие неабелевой статистики анионов D(S3) с помощью фотонного моделирования. (2023); ArXiv: 2304.05286

Наверх

Автор

Крис Эдвардс – писатель из Суррей, Великобритания, который пишет о электронике, IT и синтетической биологии.

©2023 ACM 0001-0782/23/12

Разрешается копирование частично или полностью этой работы для личного или классрумного использования без оплаты, при условии, что копии не делаются или распространяются с целью получения прибыли или коммерческой выгоды, и что копии содержат это уведомление и полное ссылку на первую страницу. Авторское право на компоненты этой работы, принадлежащие другим организациям, чем ACM, должно быть уважено. Допускается краткое изложение с указанием авторства. Любое копирование, републикация, размещение на серверах или распространение в списках требует предварительного явного разрешения и/или вознаграждения. Запрос разрешения на публикацию можно направить по адресу permissions@acm.org или факсу (212) 869-0481.

Цифровая библиотека издается Ассоциацией вычислительной техники. Авторское право © 2023 ACM, Inc.