Kvantkretssimulering kan avslöja effekterna av brus på kvantenheter i medelstor skala. Kredit:Donald Jorgensen | Pacific Northwest National Laboratory
Kvantdatorer förväntas revolutionera hur forskare löser svåra datorproblem. Dessa datorer designas för att hantera stora utmaningar inom grundläggande forskningsområden, såsom kvantkemi. I dess nuvarande utvecklingsstadium är kvantberäkning fortfarande mycket känslig för buller och störande faktorer i miljön. Detta gör kvantberäkningar "brusiga" eftersom kvantbitar – eller kvantbitar – förlorar information genom att hamna ur synk, en process som kallas dekoherens.
För att övervinna begränsningarna hos nuvarande kvantdatorer utvecklar forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) simuleringar som ger en inblick i hur kvantdatorer fungerar.
"När vi försöker direkt observera beteendet hos kvantsystem, som qubits, kommer deras kvanttillstånd att kollapsa", säger PNNL-datavetaren Ang Li. Li är också forskare för Quantum Science Center och Co-Design Center for Quantum Advantage - två av de fem Department of Energy National Quantum Information Science Research Centers. "För att komma runt detta använder vi simuleringar för att studera qubits och deras interaktion med miljön."
Li och medarbetare vid Oak Ridge National Laboratory och Microsoft använder högpresterande beräkningar för att utveckla simulatorer som efterliknar verkliga kvantenheter för exekvering av komplexa kvantkretsar. Nyligen kombinerade de två olika typer av simuleringar för att skapa Northwest Quantum Simulator (NWQ-Sim) för att testa kvantalgoritmer.
"Att testa kvantalgoritmer på kvantenheter är långsamt och kostsamt. Vissa algoritmer är också för avancerade för nuvarande kvantenheter", säger Li. "Våra kvantsimulatorer kan hjälpa oss att se bortom begränsningarna för befintliga enheter och testa algoritmer för mer sofistikerade system."
Algorithmer för kvantdatorer
Nathan Wiebe, en gemensam PNNL-utnämnd från University of Toronto och affiliate professor vid University of Washington, tar en annan strategi med att skriva kod för kvantdatorer. Även om det ibland kan vara frustrerande att begränsas av kapaciteten hos nuvarande kvantenheter, ser Wiebe denna utmaning som en möjlighet.
Kvantdatorer är särskilt skickliga på att samtidigt överväga ett stort antal möjliga kombinationer, men instabiliteten hos qubits i moderna enheter bidrar till fel i beräkningar. Kredit:Timothy Holland | Pacific Northwest National Laboratory
"Brusiga kvantkretsar ger fel i beräkningar," sa Wiebe. "Ju fler qubits som behövs för en beräkning, desto mer felbenägen är den."
Wiebe och medarbetare från University of Washington utvecklade nya algoritmer för att korrigera för dessa fel i vissa typer av simuleringar.
"Detta arbete ger ett billigare och snabbare sätt att utföra kvantfelskorrigering. Det för oss potentiellt närmare att demonstrera ett beräkningsmässigt användbart exempel på en kvantsimulering för kvantfältteori på kortsiktig kvanthårdvara", säger Wiebe.
Mörk materia möter kvantberäkning
Medan Wiebe försöker dämpa brus genom att skapa algoritmer för felkorrigering, tittar fysikern Ben Loer och hans kollegor på miljön för att kontrollera externa bruskällor.
Loer använder sin bakgrund för att uppnå ultralåga nivåer av naturlig radioaktivitet – som krävs för att söka efter experimentella bevis på mörk materia i universum – för att förhindra qubit-dekoherens.
"Strålning från miljön, som gammastrålar och röntgenstrålar, finns överallt", sa Loer. "Eftersom qubits är så känsliga hade vi en idé om att denna strålning kan störa deras kvanttillstånd."
Kredit:Brookhaven National Laboratory
För att testa detta slog Loer, projektledaren Brent VanDevender och kollegan John Orrell ihop sig med forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och MIT:s Lincoln Laboratory använde en blysköld för att skydda qubits från strålning. De designade skölden för användning i ett utspädningskylskåp - en teknik som används för att producera den temperatur precis över absolut noll som krävs för att driva supraledande qubits. De såg att qubit-dekoherensen minskade när qubitarna var skyddade.
Även om detta är det första steget mot att förstå hur strålning påverkar kvantberäkning, planerar Loer att titta på hur strålning stör kretsar och substrat inom ett kvantsystem. "Vi kan simulera och modellera dessa kvantinteraktioner för att hjälpa till att förbättra utformningen av kvantenheter," sa Loer.
Loer tar sin blyskyddade utspädningskylskåpsforskning under jorden i PNNL:s Shallow Underground Laboratory med hjälp av PNNL-kemist Marvin Warner
"Om vi utvecklar en kvantenhet som inte fungerar som den ska, måste vi kunna lokalisera problemet", säger Warner. "Genom att skärma qubits från extern strålning kan vi börja karakterisera andra potentiella bruskällor i enheten." + Utforska vidare
