Badania finansowane przez DARPA prowadzą do przełomu w obliczeniach kwantowych.
Zespół naukowców pracujących nad programem DARPA Optimization z Noisy Intermediate-Scale Quantum devices (ONISQ) stworzył pierwszy w historii obwód kwantowy z logicznymi bitami kwantowymi (kubitami). Jest to kluczowe odkrycie, które może przyspieszyć odporne na błędy obliczenia kwantowe i zrewolucjonizować koncepcje projektowanie kwantowych procesorów komputerowych.
Program ONISQ rozpoczął się w 2020 r., a jego celem było wykazanie ilościowej przewagi przetwarzania informacji kwantowych poprzez zwiększenie wydajności wyłącznie klasycznych superkomputerów w celu rozwiązania szczególnie wymagającej klasy problemów znanej jako optymalizacja kombinatoryczna. W ramach programu realizowano koncepcję hybrydową mającą na celu połączenie „zakłóconych” – lub podatnych na błędy – procesorów kwantowych średniej wielkości z klasycznymi systemami skupiającymi się w szczególności na rozwiązywaniu problemów optymalizacyjnych interesujących przemysł obronny i komercyjny. Wybrano zespoły, które miały zbadać różne typy fizycznych, nielogicznych kubitów, w tym kubity nadprzewodzące, kubity jonowe i kubity atomowe Rydberga.
Zespół badawczy z Harvardu, wspierany przez MIT, QuEra Computing, Caltech i Princeton, skupił się na badaniu potencjału kubitów Rydberga i w trakcie swoich badań dokonał wielkiego przełomu: zespół opracował techniki tworzenia kubitów logicznych z korekcją błędów przy użyciu tablic „zaszumionych” fizycznych kubitów Rydberga. Kubity logiczne to kluczowy brakujący element układanki umożliwiający realizację obliczeń kwantowych odpornych na błędy. W przeciwieństwie do podatnych na błędy kubitów fizycznych, kubity logiczne są korygowane pod kątem błędów w celu utrzymania ich stanu kwantowego, dzięki czemu są przydatne do rozwiązywania różnorodnego zestawu złożonych problemów.
Harvard zbudował do tej pory w swoim laboratorium obwody kwantowe składające się z około 48 kubitów logicznych Rydberga, co stanowi największą liczbę kubitów logicznych, jaka istnieje. Oczekuje się, że szybkie skalowanie liczby kubitów logicznych będzie stosunkowo proste ze względu na naturę kubitów Rydberga i sposób, w jaki można nimi manipulować.
„Kubity Rydberga mają tę zaletę, że są jednorodne pod względem właściwości – co oznacza, że każdy kubit jest nie do odróżnienia od następnego pod względem zachowania” – powiedział dr Mukund Vengalattore, kierownik programu ONISQ w Biurze Nauk Obronnych DARPA. „Nie dzieje się tak w przypadku innych platform, takich jak kubity nadprzewodzące, gdzie każdy kubit jest unikalny i dlatego nie można go stosować zamiennie. Jednorodność kubitów Rydberga umożliwia ich szybkie skalowanie, a także umożliwia łatwe manipulowanie nimi i przemieszczanie ich za pomocą laserów w obwodzie kwantowym. Eliminuje to obecne podatne na błędy metody wykonywania operacji na kubitach poprzez konieczność łączenia ich sekwencyjnie, co powoduje propagację błędów w całym chipie. Można teraz wyobrazić sobie dynamiczną rekonfigurację kubitów w chipie kwantowym, w której nie jesteś już ograniczony do sekwencyjnego procesu uruchamiania obwodów kwantowych. Teraz możesz przenieść całe zbiory kubitów, wszystkie, z jednego miejsca w obwodzie do innego miejsca w obwodzie za pomocą laserapęsetą, przeprowadź operację, a następnie odłóż je na pierwotne miejsce. Dynamicznie rekonfigurowalne i przenośne kubity logiczne Rydberga otwierają zupełnie nowe koncepcje i paradygmaty projektowania i budowania skalowalnych procesorów obliczeń kwantowych.
„Gdyby ktoś trzy lata temu, kiedy rozpoczynał się program ONISQ, przewidział, że neutralne atomy Rydberga mogą funkcjonować jako kubity logiczne, nikt by w to nie uwierzył” – powiedział dr Guido Zuccarello, doradca techniczny DARPA, który wspiera program ONISQ od jego początku w 2020 r. „To sposób, w jaki DARPA stawia na potencjał tych mniej zbadanych kubitów wraz z lepiej zbadanymi jonami i obwodami nadprzewodzącymi. Jako program eksploracyjny ONISQ dał naukowcom swobodę odkrywania unikalnych i nowych zastosowań wykraczających poza samą optymalizację. W rezultacie zespołowi pod przewodnictwem Harvardu udało się w znacznie większym stopniu wykorzystać potencjał kubitów Rydberga i przekształcić je w kubity logiczne, co jest bardzo znaczącym odkryciem”.
Chociaż przewiduje się, że do rozwiązania wszelkich poważnych problemów przewidywanych dla komputerów kwantowych potrzebny będzie co najmniej rząd wielkości większy niż 48 kubitów logicznych, przełom w zakresie kubitów logicznych Rydberga rzuca nowe światło na tradycyjny pogląd, że do wystąpienia usterki potrzebne są miliony fizycznych kubitów Można opracować tolerancyjny komputer kwantowy. Biorąc pod uwagę perspektywę dynamicznie rekonfigurowanych obwodów kwantowych, jest zbyt wcześnie, aby określić, ile kubitów logicznych potrzeba do rozwiązania konkretnego problemu; ale potencjalnie może być ich znacznie mniej, niż pierwotnie sądzono.
Różne programy kwantowe DARPA, których początki sięgają początku XXI wieku, skupiały się na budowaniu mostów między społecznościami badawczymi zajmującymi się wykrywaniem kwantowym i informacją kwantową, które tradycyjnie były izolowane. DARPA pomogła zjednoczyć te społeczności, aby pogłębić wiedzę na temat kontrolowania stanów kwantowych i manipulowania nimi z niezwykle dużą precyzją.
„Zespoły badawcze ONISQ mogłyby korzystać z bogatego zestawu narzędzi wiedzy kwantowej opracowanej w ciągu ostatnich kilku lat w ramach wielu programów DARPA dotyczących wykrywania kwantowego i informacji kwantowej” – powiedział Vengalattore. „Ten zestaw narzędzi zawierał dogłębną wiedzę fundamentalną i techniczną z wielu programów DARPA, w tym OLE [emulator sieci optycznej], QuASAR [wykrywanie i odczyt wspomagany kwantowo], ATN [All Together Now] oraz DRINQS [napędzane i nierównowagowe systemy kwantowe]”.
Vengalattore podkreślił, że połączenie w ramach ONISQ społeczności zajmujących się wykrywaniem kwantowym i informacją kwantową umożliwiło zastosowanie wiedzy Rydberga z zakresu wykrywania kwantowego w wyzwaniu związanym z obliczeniami kwantowymi w tempie, jakiego niewielu mogło się spodziewać nawet kilka lat temu.
„To połączenie dziedzin badawczych w oparciu o wyniki serii poprzednich wysiłków kwantowych pod przewodnictwem DARPA pomogło w odkryciu, że atomy Rydberga można wykorzystać do tworzenia kubitów logicznych z korekcją błędów” – powiedział Vengalattore. „Choć te wyniki są ekscytujące i transformacyjne, postrzegamy je jako odskocznię w kierunku długoterminowej wizji urzeczywistnienia przełomowych ścieżek do obliczeń kwantowych z korekcją błędów i innych obszarów technologii kwantowej”.