MIT-forskare har introducerat en kvantberäkningsarkitektur som kan utföra kvantberäkningar med låga fel och samtidigt snabbt dela kvantinformation mellan processorer. Arbetet representerar ett nyckelframsteg mot en komplett kvantberäkningsplattform.

Före denna upptäckt, småskaliga kvantprocessorer har framgångsrikt utfört uppgifter i en hastighet som är exponentiellt snabbare än den för klassiska datorer. Dock, det har varit svårt att kontrollerat kommunicera kvantinformation mellan avlägsna delar av en processor. I klassiska datorer, trådbundna sammankopplingar används för att dirigera information fram och tillbaka genom en processor under en beräkning. I en kvantdator, dock, informationen i sig är kvantmekanisk och ömtålig, kräver fundamentalt nya strategier för att samtidigt bearbeta och kommunicera kvantinformation på ett chip.

"En av de största utmaningarna med att skala kvantdatorer är att göra det möjligt för kvantbitar att interagera med varandra när de inte är samlokaliserade, säger William Oliver, en docent i elektroteknik och datavetenskap, MIT Lincoln Laboratory-stipendiat, och biträdande direktör för forskningslaboratoriet för elektronik. "Till exempel, närmaste granne qubits kan enkelt interagera, men hur gör jag "quantum interconnects" som kopplar samman qubits på avlägsna platser?"

Svaret ligger i att gå utöver konventionella ljus-materia-interaktioner.

Medan naturliga atomer är små och punktlika med avseende på ljusets våglängd de interagerar med, i en artikel publicerad i tidskriften Natur , forskarna visar att detta inte behöver vara fallet för supraledande "konstgjorda atomer". Istället, de har konstruerat "gigantiska atomer" från supraledande kvantbitar, eller qubits, ansluten i en avstämbar konfiguration till en mikrovågsöverföringsledning, eller vågledare.

Detta gör det möjligt för forskarna att justera styrkan på qubit-vågledarinteraktionerna så att de ömtåliga qubitarna kan skyddas från dekoherens, eller ett slags naturligt förfall som annars skulle påskyndas av vågledaren, medan de utför högtrohetsoperationer. När dessa beräkningar är utförda, styrkan hos qubit-vågledarkopplingarna justeras om, och qubits kan släppa ut kvantdata till vågledaren i form av fotoner, eller lätta partiklar.

"Att koppla en qubit till en vågledare är vanligtvis ganska dåligt för qubit -operationer, eftersom det kan minska livslängden för qubiten avsevärt, " säger Bharath Kannan, MIT doktorand och första författare av tidningen. "Dock, vågledaren är nödvändig för att frigöra och dirigera kvantinformation genom hela processorn. Här, vi har visat att det är möjligt att bevara qubitens koherens även om den är starkt kopplad till en vågledare. Vi har då möjlighet att avgöra när vi vill släppa informationen som lagras i qubiten. Vi har visat hur gigantiska atomer kan användas för att slå på och av interaktionen med vågledaren."

Systemet som forskarna inser representerar en ny regim av ljus-materia-interaktioner, säger forskarna. Till skillnad från modeller som behandlar atomer som punktliknande föremål som är mindre än våglängden på ljuset de interagerar med, de supraledande qubitarna, eller konstgjorda atomer, är väsentligen stora elektriska kretsar. När den är kopplad till vågledaren, de skapar en struktur lika stor som våglängden på mikrovågsljuset som de interagerar med.

Den jättelika atomen avger sin information som mikrovågsfotoner på flera platser längs vågledaren, så att fotonerna interfererar med varandra. Denna process kan ställas in för fullständig destruktiv störning, vilket innebär att informationen i qubiten är skyddad. Vidare, även när inga fotoner faktiskt frigörs från jätteatomen, flera qubits längs vågledaren kan fortfarande interagera med varandra för att utföra operationer. Genom hela, qubits förblir starkt kopplade till vågledaren, men på grund av denna typ av kvantstörningar, de kan förbli opåverkade av det och skyddas från desammanhang, medan en- och två-qubit-operationer utförs med hög tillförlitlighet.

"Vi använder kvantinterferenseffekterna som möjliggörs av de gigantiska atomerna för att förhindra att kvantbitarna sänder ut sin kvantinformation till vågledaren tills vi behöver den." säger Oliver.

"Detta tillåter oss att experimentellt undersöka en ny fysikregim som är svår att komma åt med naturliga atomer, " säger Kannan. "Effekterna av den jättelika atomen är extremt rena och lätta att observera och förstå."

Arbetet verkar ha stor potential för vidare forskning, Tillägger Kannan.

"Jag tror att en av överraskningarna faktiskt är den relativa lätthet med vilken supraledande qubits kan komma in i denna gigantiska atomregim." han säger. "Knepen vi använde är relativt enkla och, som sådan, man kan tänka sig att använda detta för ytterligare applikationer utan mycket extra omkostnader. "

Koherenstiden för qubitarna som ingår i de jättelika atomerna, betyder tiden de förblev i ett kvanttillstånd, var cirka 30 mikrosekunder, nästan samma för qubits som inte är kopplade till en vågledare, som har ett intervall på mellan 10 och 100 mikrosekunder, enligt forskarna.

Dessutom, forskningen visar två-qubits intrasslande operationer med 94 procents trohet. Detta är första gången forskare har citerat en två-qubit trohet för qubits som var starkt kopplade till en vågledare, eftersom troheten för sådana operationer med konventionella små atomer ofta är låg i en sådan arkitektur. Med mer kalibrering, driftjusteringsprocedurer och optimerad hårdvarudesign, Kannan säger, troheten kan förbättras ytterligare.