Djupt i yttre rymden formar osynliga händer universum. Den ena är mörk materia, ett osynligt ämne som tros binda avlägsna galaxer. Den andra är mörk energi, en kraft som tros trycka isär stjärnstrukturer med gravitationstrotsande styrka.
På jakt efter tecken på dessa märkliga kosmiska influenser designade forskare vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility en enhet för att mäta deras förmodade effekter på spinnande elektroner. Sedan insåg de att idén lovade i en annan värld:kvantberäkning.
Kvantdatorer är nästa gräns inom informationsteknologi. En gång begränsade till avlägsna teorier och science fiction, utnyttjar dessa maskiner de galna, underbara krafterna i den submikroskopiska världen för att lösa problem som kan vara för tuffa för klassiska datorer – tänk 1:or och 0:or – och till och med de massiva superdatorerna i extrem skala av idag.
Den blomstrande, globala strävan har gjort enorma steg de senaste åren, med stora teknikföretag, startups och regeringar som strävar efter en blandad påse av plattformar – alla med styrkor och svagheter. Men på grund av den känsliga mekaniken som dessa system fungerar på, har den decennier långa strävan efter att få dem till pålitlig och praktisk användning hittills visat sig svårfångad.
Nu kastar ett team som leds av Jefferson Lab sin hatt i den ökända ringen med en unik "CPU" som kommer från partikelacceleratorteknik och studiet av det synliga universum. Det kan konkurrera med eller till och med överträffa några av de bullriga, energihungriga prototyperna som utforskas.
"Vi hittar nya vägar för vår befintliga expertis inom kärnfysik", säger Riad Suleiman, ledande utredare för studien. "Vårt mål är att öppna en ny era av kvantberäkningsforskning vid Jefferson Lab."
Suleiman är specialiserad på injektorer, enheterna som genomsyrar partikelacceleratorer med sina strålar. Han började arbeta på Jefferson Lab som en Kent State University-student 1995 och anslöt sig till personalen på heltid 2007 efter att ha varit postdoktor vid MIT och Virginia Tech. Suleiman har anslutit sig till Vasiliy Morozov, en före detta Jefferson Lab acceleratorfysiker som arbetar vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory, och Matt Grau, en kvantberäkningsexpert på fångade joner från Old Dominion University.
Ett fullständigt patent lämnades in på deras kvantberäknings-"kärna", som innebär att laddade atomer (joner) fångas och injiceras i en åtta-formad strållinje. Denna vakuumförseglade ring i rostfritt stål är designad för att bibehålla jonernas spinn när de cirkulerar. Lagrade på detta sätt kan atomerna agera som kvantbitar – kortare qubits.
Projektet startade 2022 under Jefferson Labs program för Laboratory Directed Research and Development (LDRD), men dess historia går långt tillbaka.
Morozov tillbringade mer än ett decennium på Jefferson Lab innan han började på Oak Ridge 2020. Han var involverad i tidiga designkoncept för Electron-Ion Collider (EIC), en nästa generations partikelaccelerator som byggs vid DOE:s Brookhaven National Laboratory i samarbete med Jefferson Lab.
En av EIC-designerna involverade strållinjer formade som en åttasiffra, inklusive en ring för att lagra elektroner innan de slår mot accelererade joner.
"Utmaningen i vissa acceleratorer är att få alla partiklar att peka i samma riktning", säger Morozov, som fortfarande är involverad i EIC. "Du måste hålla dem i linje eftersom, om du inte är försiktig, slutar du med en fullständigt kaotisk orientering. Åttasiffran föreslogs som ett universellt sätt att bibehålla denna inriktning för precisionsexperiment."
DOE:s ultimata EIC-val var en mestadels cirkulär design, men modellen med åtta siffror skrotades inte. Suleiman och Morozov bildade ett team för att utforska en annan användning för dessa nya ringar:sökandet efter ledtrådar om universums ursprung och struktur.
Den fysiska världen är skyldig sin existens till ett överskott av materia i förhållande till antimateria, och Suleiman sa att siffran åtta ringar är en idealisk plats för att mäta elektronegenskaper som kan förklara denna obalans. När de snurrar inuti dessa ringar förväntas elementarpartiklarna också vara överkänsliga för hypotetiska krafter relaterade till mörk materia och mörk energi.
Under denna forskning trollade Suleimans team fram en annan användning för ringarna.
"Det var så idén kom till liv," sa Suleiman.
Kvantdatorer ger inte nödvändigtvis en snabbare eller mindre CPU, så du kommer inte att hitta någon på ditt skrivbord – eller i knäet – någon gång snart. De har bara tillgång till ett annat beräkningsutrymme.
"För några av de svåraste problemen som superdatorer tar itu med idag, finns det potential för kvantdatorer att lösa dem extremt effektivt," sa Grau.
Områden som kan vara till nytta inkluderar kryptografi, datavetenskap, sökalgoritmer och artificiell intelligens. En annan är modellering av kvantsystem, såsom nanomaterial, kvantkemi, kvantoptik och kvantfältteorier.
"Det visar sig att dessa datorer är mycket bra på att lösa kvantfysikproblem," sa Grau. "Det här är verkligen användbart om du vill simulera vägarna för vissa kemiska reaktioner eller hur ett intressant protein i ett läkemedel kan fungera. Istället för att prova det i en bägare kan du prova det i en dator som naturligt talar kvantmekanikens språk. ."
Qubits kan liknas vid de binära bitarna i en klassisk dator. Men istället för att representera bara en 1 eller 0, kan de representera många olika beräkningsbara tillstånd samtidigt genom den konstiga kvantegenskapen superposition. Deras processorkraft kan förstärkas ytterligare genom att stränga dem tillsammans via en annan udda kvantfunktion som kallas entanglement.
Entanglement är en fundamental konstighet hos kvantsystem där partiklars fysiska tillstånd, såsom spinn, kan korreleras direkt – i princip även om de är ljusår från varandra. Detta kan åstadkommas inom en fälla som begränsar jonerna - i det här fallet Ytterbium - med hjälp av ett oscillerande elektriskt fält. Fällan är under ultrahögt vakuum och kyls till temperaturer kallare än djupa rymden.
"En miljondels grad över absolut noll är där all rörelse i princip har frusit ut, och dessa partiklar är helt stilla," sa Grau. "Vid dessa mycket kalla temperaturer kan du få extremt mycket kontroll. Detta är avgörande för att kunna använda kvantdatorer."
Därifrån injicerar en kombination av statiska och tidsvarierande elektriska fält jonerna i ringen.
Stora teknikföretag som Amazon, Google, Microsoft och IBM utforskar supraledande kvantdatorer, och ett annat Jefferson Lab-team samarbetar med den privata sektorn för att utforska ultra-energieffektiv supraledande digital elektronik. Andra företag och nystartade företag undersöker neutrala atomer, fångade joner och fotonik, men det är oklart vilken teknologi som kommer att separeras från förpackningen.
Förmodligen är det mest kritiska kravet på en kvantdator att den är en "sluten låda", vilket betyder att den måste vara isolerad från resten av universum. Extern störning eller informationsläckage inifrån kan störa det skummande havet av sannolikheter som datorn fungerar på.
Isolering genom förebyggande och upphävande av externa interaktioner gör att jonerna kan behålla sina kvanttillstånd. Denna kvalitet kallas koherens, och den måste vara tillräckligt länge för att datorn ska kunna utföra sina komplexa algoritmer.
Tack vare ett beamline-vakuum och naturligt förekommande annullering av spin-effekterna i en siffra-åtta-layout förväntas en sådan ring erbjuda koherenstider på mer än tre timmar. Liksom i Marvel Cinematic Universes "Ant-Man"-serie, är tre timmar en livstid i kvantvärlden – och denna livstid överträffar vida den nuvarande tekniken.
Som jämförelse kan nämnas att IBMs supraledande Condor-dator erbjuder koherenstider på cirka 200 mikrosekunder, och Xanadus 216-qubit-system kan gå cirka 34 millisekunder utan kohering. Quantinuums H2 fångade-jon-system presterar lite bättre än dessa plattformar med koherens över 100 sekunder, och Atom Computings neutral-atom-plattform har ett 40-sekunders spann.
Åtta-ringen förväntas också överträffa dessa system i antalet qubits den kan lagra. Dessa ringar är cirka 12 meter långa och 6 meter breda – ungefär samma yta som en liten lägenhet – att de kan samla så många som 3 000 qubits. De kan skala upp ytterligare genom att stapla flera ringar, sa Suleiman. Det stora antalet qubits skulle räcka långt i feltolerans och felkorrigering.
"Att kunna beräkna noggrant med felkorrigering innebär vanligtvis att du behöver mycket fler qubits än du skulle för att tillfredsställa behoven hos din algoritm," sa Grau. "Så, skalning är verkligen, i slutändan, den stora utmaningen som alla kvantdatorer måste möta."
Samtidigt arbetar IBMs Condor på 1 121 qubits och Atom Computings neutralatommaskin har 1 180. Quantinuums H2 använder för närvarande 32 qubits, liksom IonQs Forte fångade-jonsystem.
Brookhaven Lab undersöker också lagringsringar för kvantberäkning, men dess patenterade modell är elliptisk till sin design och förlitar sig på extrem strålkylning. Samtidigt är Suleimans team på gränsen till ett fullständigt patent för sin åttafigur som drar fördel av ganska robusta kvantspinneffekter som inte involverar svåruppnådda kvantegenskaper i partikelns orbitala rörelse.
"Den åtta lagringsringen utvecklades helt enkelt för att bevara partiklarnas snurr," sa Suleiman. "Det är ett väldigt enkelt koncept men visade sig vara fruktbart när man tillämpar det på olika områden. Om vi kan börja demonstrera dess förmåga kan vi en dag arbeta med ett företag för att vidareutveckla idén."
Tillhandahålls av Thomas Jefferson National Accelerator Facility
