Förra året, forskare vid Fermilab fick över 3,5 miljoner dollar för projekt som fördjupar sig i det växande området kvantinformationsvetenskap. Forskning som finansieras av anslaget styr skalan, från att bygga och modellera enheter för möjlig användning i utvecklingen av kvantdatorer till att använda ultrakalla atomer för att leta efter mörk materia.

För deras kvantdatorprojekt, Fermilab partikelfysiker Adam Lyon och datavetare Jim Kowalkowski samarbetar med forskare vid Argonne National Laboratory, där de kommer att köra simuleringar på högpresterande datorer. Deras arbete kommer att hjälpa till att avgöra om instrument som kallas supraledande radiofrekvenskaviteter, används även i partikelacceleratorer, kan lösa ett av de största problemen med en framgångsrik utveckling av en kvantdator:dekoherensen av qubits.

"Fermilab har banat väg för att tillverka supraledande kaviteter som kan accelerera partiklar i extremt hög grad på kort utrymme, sa Lyon, en av de ledande forskarna i projektet. "Det visar sig att detta är direkt tillämpligt på en qubit."

Forskare inom området har arbetat med att utveckla framgångsrika kvantberäkningsenheter under de senaste decennierna; än så länge, det har varit svårt. Detta beror främst på att kvantdatorer måste upprätthålla mycket stabila förhållanden för att hålla kvantbitar i ett kvanttillstånd som kallas superposition.

Superposition

Klassiska datorer använder ett binärt system med nollor och ettor – så kallade bitar – för att lagra och analysera data. Åtta bitar tillsammans gör en byte med data, som kan sättas ihop för att koda ännu mer information. (Det finns cirka 31,8 miljoner byte i den genomsnittliga tre minuter långa digitala låten.) Däremot kvantdatorer är inte begränsade av ett strikt binärt system. Snarare, de arbetar på ett system av qubits, som var och en kan anta ett kontinuerligt område av tillstånd under beräkning. Precis som en elektron som kretsar kring en atomkärna inte har en diskret plats utan snarare upptar alla positioner i sin bana samtidigt i ett elektronmoln, en qubit kan bibehållas i en superposition av både noll och ett.

Eftersom det finns två möjliga tillstånd för en given qubit, ett par fördubblar mängden information som kan manipuleras:2 ² =4. Använd fyra qubits, och den mängden information växer till 2 ⁴ =16. Med denna exponentiella ökning, det skulle ta bara 300 intrasslade qubits för att koda mer information än vad det finns materia i universum.

Parallella positioner

Qubits representerar inte data på samma sätt som bitar. Eftersom qubits i superposition är både noll och en samtidigt, de kan på liknande sätt representera alla möjliga svar på ett givet problem samtidigt. Detta kallas kvantparallellism, och det är en av egenskaperna som gör kvantdatorer så mycket snabbare än klassiska system.

Skillnaden mellan klassiska datorer och deras kvantmotsvarigheter kan jämföras med en situation där det finns en bok med några sidor slumpmässigt tryckta med blått bläck istället för svart. De två datorerna får i uppgift att bestämma hur många sidor som skrevs ut i varje färg.

"En klassisk dator skulle gå igenom varje sida, " sa Lyon. Varje sida skulle markeras, en i taget, som antingen tryckt i svart eller blått. "En kvantdator, istället för att gå igenom sidorna i tur och ordning, skulle gå igenom dem alla på en gång."

När beräkningen var klar, en klassisk dator skulle ge dig en bestämd, diskret svar. Om boken hade tre sidor tryckta i blått, det är svaret du skulle få.

"Men en kvantdator är till sin natur sannolikhet, " sa Kowalkowski.

Det betyder att uppgifterna du får tillbaka inte är säkra. I en bok på 100 sidor, data från en kvantdator skulle inte bara vara tre. Det kan också ge dig, till exempel, en procents chans att ha tre blå sidor eller en procents chans på 50 blå sidor.

Ett uppenbart problem uppstår när man försöker tolka dessa data. En kvantdator kan utföra otroligt snabba beräkningar med hjälp av parallella qubits, men det spottar bara ut sannolikheter, som, självklart, är inte särskilt hjälpsam - om inte det är, det rätta svaret kan på något sätt ges en högre sannolikhet.

Interferens

Betrakta två vattenvågor som närmar sig varandra. När de träffas, de kan konstruktivt störa, producerar en våg med en högre topp. Eller de kan störa destruktivt, avbryter varandra så att det inte längre finns någon våg att tala om. Qubit-tillstånd kan också fungera som vågor, uppvisar samma interferensmönster, en fastighetsforskare kan utnyttja för att identifiera det mest sannolika svaret på problemet de får.

"Om du kan ställa in interferens mellan rätt svar och fel svar, du kan öka sannolikheten för att rätt svar dyker upp mer än fel svar, " sa Lyon. "Du försöker hitta ett kvantiskt sätt att få de korrekta svaren att konstruktivt störa och de felaktiga svaren störa destruktivt."

När en beräkning körs på en kvantdator, samma beräkning körs flera gånger, och qubits tillåts störa varandra. Resultatet är en fördelningskurva där det korrekta svaret är det vanligaste svaret.

Lyssnar efter signaler ovanför bruset

Under de senaste fem åren, forskare vid universitet, statliga anläggningar och stora företag har gjort uppmuntrande framsteg mot utvecklingen av en användbar kvantdator. Förra året, Google meddelade att de hade utfört beräkningar på deras kvantprocessor som heter Sycamore på en bråkdel av den tid det skulle ha tagit världens största superdator att slutföra samma uppgift.

Men kvantenheterna som vi har idag är fortfarande prototyper, besläktad med de första stora vakuumrörsdatorerna från 194zero.

"Maskinerna vi har nu skalar inte upp mycket alls, sa Lyon.

Det finns fortfarande några hinder som forskare måste övervinna innan kvantdatorer blir livskraftiga och konkurrenskraftiga. En av de största är att hitta ett sätt att hålla känsliga qubit-tillstånd isolerade tillräckligt länge för att de ska kunna utföra beräkningar.

Om en herrelös foton - en ljuspartikel - från utsidan av systemet skulle interagera med en qubit, dess våg skulle störa qubitens superposition, i huvudsak förvandla beräkningarna till en rörig röra – en process som kallas dekoherens. Medan kylskåpen gör ett måttligt bra jobb med att hålla oönskade interaktioner till ett minimum, de kan bara göra det för en bråkdel av en sekund.

"Kvantsystem gillar att vara isolerade, " sa Lyon, "och det finns inget enkelt sätt att göra det på."

Det är där Lyon och Kowalkowskis simuleringsarbete kommer in. Om qubitarna inte kan hållas tillräckligt kalla för att upprätthålla en intrasslad överlagring av tillstånd, kanske själva enheterna kan konstrueras på ett sätt som gör dem mindre mottagliga för buller.

Det visar sig att supraledande hålrum gjorda av niob, används normalt för att driva fram partikelstrålar i acceleratorer, kan vara lösningen. Dessa kaviteter måste konstrueras mycket exakt och fungera vid mycket låga temperaturer för att effektivt sprida radiovågorna som accelererar partikelstrålar. Forskare har en teori om att genom att placera kvantprocessorer i dessa håligheter, qubits kommer att kunna interagera ostört i sekunder snarare än det nuvarande rekordet på millisekunder, ge dem tillräckligt med tid för att utföra komplexa beräkningar.

Qubits finns i flera olika varianter. De kan skapas genom att fånga joner i ett magnetfält eller genom att använda kväveatomer omgivna av kolgittret som bildas naturligt i kristaller. Forskningen vid Fermilab och Argonne kommer att fokuseras på qubits gjorda av fotoner.

Lyon och hans team har tagit på sig jobbet att simulera hur bra radiofrekvenskaviteter förväntas prestera. Genom att utföra sina simuleringar på högpresterande datorer, känd som HPC, vid Argonne National Laboratory, de kan förutsäga hur länge foton-qubits kan interagera i denna miljö med ultralågt brus och redogöra för eventuella oväntade interaktioner.

Forskare runt om i världen har använt öppen källkod för stationära datorer för att simulera olika tillämpningar av kvantmekanik, förse utvecklare med ritningar för hur de kan införliva resultaten i teknik. Omfattningen av dessa program, dock, begränsas av mängden tillgängligt minne på persondatorer. För att simulera den exponentiella skalningen av flera qubits, forskare måste använda HPC.

"Gå från ett skrivbord till en HPC, du kanske är 10, 000 gånger snabbare, sade Matthew Otten, en stipendiat vid Argonne National Laboratory och samarbetspartner i projektet.

När teamet har slutfört sina simuleringar, resultaten kommer att användas av Fermilab-forskare för att förbättra och testa hålrummen för att fungera som beräkningsenheter.

"Om vi ​​sätter upp ett simuleringsramverk, vi kan ställa mycket riktade frågor om det bästa sättet att lagra kvantinformation och det bästa sättet att manipulera den, sa Eric Holland, biträdande chef för kvantteknologi på Fermilab. "Vi kan använda det för att vägleda vad vi utvecklar för kvantteknik."