Исследования в области квантовых систем ускоряют создание гибких и стабильных квантовых компьютеров, превосходящих современные классические машины.
Принципы работы квантовых систем
Хотя принципы, лежащие в основе квантовых систем, известны уже десятилетия, создание машин, использующих эти идеи, требует высокоточного инжиниринга. На этом уровне многие свойства, обеспечивающие квантовым вычислениям беспрецедентную мощь, создают уникальные проблемы для их использования.
Системы с захваченными ионами
Системы с захваченными ионами стали одной из наиболее зарекомендовавших себя платформ для развития квантовых технологий. Эти системы используют электрические поля для захвата и перемещения ионов в квантовом процессоре, а также лазеры для управления их атомными и механическими квантовыми состояниями.
Эта архитектура позволяет создавать длинные цепочки взаимосвязанных кубитов, которые остаются в состоянии квантовой когерентности в течение длительного времени, обеспечивая одни из самых многообещающих возможностей в квантовых исследованиях.
Инновации в архитектуре квантовых компьютеров
Группа исследователей из QSA в Sandia National Laboratories под руководством Джонатана Сторка разработала, изготовила и провела предварительные испытания чипа-ловушки, способного хранить до 200 ионов. Это устройство, получившее название «ловушка-энчилада», включает в себя новые функции для снижения рассеивания радиочастотной (РЧ) мощности и несколько рабочих зон, соединённых переходами.
Эти особенности могут быть использованы в будущих ловушках, которым потребуется хранить на порядки больше кубитов.
Параллельные операции в квантовых системах
Команда QSA из Университета Мэриленда под руководством Инъюэ Чжу решила эту проблему, выполнив параллельные операции в системе с захваченными ионами. Предыдущие установки сталкивались с проблемой того, что параллельные операции с кубитами мешали друг другу, поскольку все ворота использовали один и тот же набор колебательных мод.
Чжу и его коллеги смогли решить эту проблему, одновременно управляя кубитами в разных направлениях в пространстве и, следовательно, разными вибрационными паттернами, что позволило им работать параллельно без помех и с минимальными накладными расходами.
Работа с запутанными парами
Работа с несколькими запутанными парами — это один из методов, с помощью которого квантовые процессоры могут масштабироваться. Группа QSA из Университета Дьюка под руководством Ор Каца из команды Криса Монро и в сотрудничестве с группой Марко Цетины приняла эту стратегию.
Кац разработал технику, в которой определённые кубиты можно эффективно контролировать и соединять, используя точные лазерные импульсы. Ключевым нововведением в этой работе стало запутывание множества кубитов в одной группе, используя метод, известный как «сжатие».
Измерения в середине цепи
Измерение производительности квантовых машин обычно проводится на конечном этапе их работы. Однако измерения в середине цепи, хотя и более сложны в некоторых отношениях, предоставляют уникальные возможности для измерения эффективности системы и интерактивного управления ею.
Группа Дайвэя Чжу из исследовательской группы QSA в Университете Мэриленда провела исследование, в котором пространственно разделила определённые ионы для облегчения измерений в середине цепи.
Физические основы «никового удара» в сквоше
В сквоше «никовый удар» — это решительный удар, в результате которого мяч рикошетит у основания стены и катится по полу, не отскакивая, что лишает соперника возможности вернуть мяч.
Команда исследователей под руководством профессора инженерии из Брауновского университета Роберто Дзенита выяснила физику, стоящую за этим ударом, показав, как идеальное размещение и правильный накат способствуют уничтожению отскока мяча.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Хотя результаты могут быть полезны при разработке технологий демпфирования ударов, Дзенит говорит, что работа выросла из его интереса к использованию науки для объяснения повседневного мира.
quantum systems have been understood for decades, building machines that leverage those ideas requires precision engineering. At this scale, many of the same properties that give quantum computing its unprecedented power also create unique challenges to harnessing it.”,”Trapped-ion systems have become one of the most established platforms for advancing quantum technology. These systems use electric fields to trap and move ions in a quantum processor, as well as lasers to manipulate their atomic and motional quantum states.”,”This architecture allows for long chains of interconnected qubits that remain in a state of quantum coherence for long periods of time, providing some of the most promising capabilities in quantum research. Recent research at QSA has advanced the capabilities of trapped ion designs to enable holding larger numbers of qubits.”,”A group of QSA researchers at Sandia National Laboratories, led by Jonathan Sterk, designed, fabricated, and performed preliminary tests on a trap chip capable of storing up to 200 ions. This device, called the \”enchilada trap,\” incorporated novel features to reduce radiofrequency (RF) power dissipation and multiple operational zones connected via junctions.”,”These features can be used in future traps that may need to store orders-of-magnitude more qubits, as shown in a study published on the arXiv pre-print server.”,”This work is done in collaboration with other QSA researchers at Duke University and Cornell University, where an enchilada trap has been delivered and is currently in operation.”,”By raising the RF electrodes and removing insulating dielectric material below them, the design reduces capacitance and subsequently lowers power losses on the device when the necessary 150 V to 300 V are applied. Combined, these innovations allow for scaled-up quantum computers that sidestep power dissipation issues, which can limit the size and complexity of the trap. This enables larger traps, which can be exponentially more powerful than smaller ones.”,”\”We are focused on building the technologies necessary for large-scale quantum systems. The QSA has been instrumental in our ability to collaborate with world-class scientists to push the boundaries of what is achievable,\” said Jonathan Sterk.”,”While trapped-ion arrangements offer robust control and long coherence times, one bottleneck is that their physical gate operations are performed sequentially. A QSA team at the University of Maryland, led by Yingyue Zhu, tackled this challenge by performing parallel gate operations in a trapped-ion system, as explained in their paper, published in Advanced Quantum Technologies.”,”Previous setups had faced the issue that parallel qubit operations interfered with each other, because all gates were using the same set of motional modes. Zhu and colleagues were able to solve this issue by simultaneously controlling qubits along different directions in space, and hence different vibrational patterns, allowing them to be operated on concurrently without interference and with minimal overhead.”,”This is a key innovation for scaling quantum computing operations because it allows for higher information throughput. This not only improves speed and processing power, with the potential for more complex operations, but can also improve stability.”,”Quantum operations are time-sensitive, due to decoherence, in which qubits lose their quantum properties due to unintended interactions with the surrounding environment. By performing more operations in a given timespan, Zhu’s team’s progress could produce more reliable systems.”,”\”We explored a previously unutilized degree of freedom in the system to enable high-fidelity parallel operations at very low cost. This work also inspires further investigation into more powerful frequency-separated parallel operations,\” said Yingyue Zhu.”,”Working on multiple entangled pairs is one method by which quantum processors can scale up. Another method is to entangle more than one ion at once. A QSA group at Duke University, led by Or Katz from Chris Monroe’s team and collaborating with Marko Cetina’s group, adopted this strategy, as detailed in their research published in Physical Review Letters, PRX Quantum, and Nature Physics.”,”Katz developed a technique in which specific qubits can be controlled and paired efficiently using precise laser pulses. A key innovation in this work was to entangle many qubits in a single group, using a method known as \”squeezing.\””,”This tactic alters the scale of ions’ motion or position in a spin-dependent manner, while conceding greater uncertainty in the complementary variable (the product of the uncertainties must remain constant, according to the Heisenberg Uncertainty Principle).”,”Squeezing allowed the team to entangle the spins of many ions at once, rather than the typical entangled pairs of other systems. By interacting with the ions in a single step, this new technique enabled the efficient generation of quantum entangling operations whose structure, using standard pairwise techniques, is rather challenging. This technique opens new avenues for quantum information applications.”,”\”This technique expands the toolbox for entanglement by enabling manipulation of interactions beyond the pairwise limit. It opens new opportunities for engineering classes of entangling gates and complex many-body Hamiltonians that might otherwise be out of reach,\” said Katz.”,”Measuring the performance of quantum machines has typically been done at the end step of their operations. However, mid-circuit measurements, while more challenging in some respects, present unique opportunities to measure a system’s efficacy and control it interactively.”,”That was the approach taken by Daiwei Zhu and colleagues at the University of Maryland’s QSA research group, in a study published in Nature Physics.”,”They spatially separated certain ions to facilitate mid-circuit measurements. Mid-circuit measurements are challenging in many quantum computing architectures because if qubits are not properly isolated, measuring one can unintentionally affect nearby qubits, potentially disrupting the rest of the computations.”,”To overcome this challenge, the group separated certain segments of a chain of ions using precise voltage adjustment. Once isolated, these ions can be shuttled away from the others in their chain to be measured without interfering with the others. This delicate operation allows for measurements and tests more typical of classical systems.”,”With this procedure in place, the researchers implemented two interactive protocols that provide classically verifiable evidence of quantum advantage: one based on the Learning With Errors (LWE) problem and the other based on a Computational Bell Test.”,”The two problems define tasks that are hard for classical computers to solve alone, but become verifiable when a classical verifier interacts with the quantum computer during the computation via mid-circuit measurements. Zhu’s team used it to show that the quantum computer is indeed acting in a quantum way.”,”While tests of quantum activity are typically physical in nature, this experiment demonstrated it computationally for the first time, or, as the authors put it, this is the first instance of quantifying quantumness.”,”\”This work provides a blueprint for using mid-circuit measurements in cryptographic protocols to provide classically verifiable evidence of quantumness,\” said Daiwei Zhu”,”Mid-circuit measurements have clear utility in understanding and debugging quantum architectures. They could also be instrumental in making quantum operations more efficient, allowing researchers to perform computations using fewer resources.”,”The work being developed to make quantum computers more efficient, scalable, reliable, and interactive is accelerating us toward the day when once-intractable problems become solvable.”,”The work at QSA is making some of the most important breakthroughs in advancing this futuristic technology. With each engineering and technical breakthrough, we move closer to a new era of computing.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLawrence Berkeley National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник