Ελεγχόμενο κύκλωμα QED για την υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών

Οι κβαντικοί υπολογιστές δεν φείδονται προσπαθειών για να προσφέρουν την ανώτερη υπόσχεση εκτέλεσης πολύπλοκων και αδιανόητων προβλημάτων, τα οποία είναι πολύ πέρα ​​από κάθε κλασικό υπολογιστή που είναι γνωστό επί του παρόντος, σε εύλογο χρόνο με υψηλή ακρίβεια.

Η νέα προσέγγιση για τους υπολογιστές, που βασίζεται στις κεντρικές αρχές της κβαντικής μηχανικής, θα μπορούσε να έχει τεράστιες εφαρμογές και μπορεί να φέρει επανάσταση σε πανταχού παρούσες περιοχές. Θα μπορούσε να μας βοηθήσει να ανακαλύψουμε νέα φάρμακα και υλικά. Θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο επενδύουμε αναδιαμορφώνοντας χρηματοοικονομικές υπηρεσίες, διαχειριζόμενοι χρήματα καθώς και τεράστια σύνολα δεδομένων. Θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλες προόδους στην τεχνητή νοημοσύνη, τη βελτιστοποίηση και τη μηχανική μάθηση. Μπορεί να διευκολύνει την εύρεση βέλτιστων λύσεων για αλυσίδες εφοδιασμού και logistics, θα μπορούσε να αυξήσει την αποτελεσματικότητα των παράλληλων υπολογισμών, να δημιουργήσει ασφαλείς εφαρμογές δικτύου, να προσομοιώσει μοριακές δομές, να σπάσει άθραυστους κώδικες ή ακόμα και να σπάσει κρυπτογραφία και κρυπτογράφηση. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να οδηγήσει σε ενεργοποίηση μελλοντικών τεχνολογιών [1,2].

Οι επιμελείς δυνατότητες του κβαντικού υπολογισμού θα μπορούσαν να τον καταστήσουν την καλύτερη λύση ποτέ για να ξεπεραστούν τα νοητά όρια που αντιμετωπίζουν τα ανθρώπινα όντα σε διάφορους τομείς. Οι επιπτώσεις του είναι προφανώς ατελείωτες.

Ένας κβαντικός υπολογιστής είναι μια εντελώς ξεχωριστή έννοια. δεν εξαρτάται από τη δυαδική λογική, εξαρτάται από αυτό που λέγεται κβαντικά bit ή qubits. Βασικά, το τεράστιο πλεονέκτημα των qubits έναντι των κανονικών bit είναι ότι υπάρχουν σε μια υπέρθεση καταστάσεων. Έτσι, ενώ ένα τυπικό bit μπορεί να είναι είτε ένα είτε ένα μηδέν, ένα qubit μπορεί να είναι ένα, ένα μηδέν ή και ένα και μηδέν ταυτόχρονα. Εάν έχουμε έναν λαβύρινθο, ένας δυαδικός υπολογιστής πρέπει να αφιερώσει χρόνο για να αξιολογήσει ξεχωριστά κάθε διαδρομή. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα αξιολογούσαν κάθε πιθανότητα ταυτόχρονα.

Η πιο δημοφιλής μέθοδος κβαντικού υπολογισμού και επικοινωνίας είναι βασισμένη σε πύλη. Οι κβαντικές πύλες χρησιμοποιούνται για το χειρισμό και τη μετατροπή πληροφοριών σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Παίρνει ένα qubit και το μετατρέπει σε μια νέα κατάσταση. Οι κβαντικές πύλες είναι τα δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών, όπως οι κλασσικές λογικές πύλες για τους συμβατικούς υπολογιστές. Γενικά δρουν σε μια υπέρθεση κβαντικών καταστάσεων. Μια σειρά από πεπερασμένους αριθμούς τέτοιων πυλών θα μπορούσε να κατασκευάσει κβαντικούς αλγόριθμους, διαδικασίες για την εκτέλεση υπολογισμών σε κβαντικά συστήματα. Το εμπόδιο στην κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή ισοδυναμεί με την εύρεση μιας φυσικής υλοποίησης κβαντικών πυλών μεταξύ των qubits [3-5]. Παρέχουν θεμελιώδεις δομικές μονάδες για την κωδικοποίηση πολύπλοκων αλγορίθμων και λειτουργιών [6].

Πολλά φυσικά σχήματα [7-14] έχουν προταθεί για την κατασκευή κβαντικών δυαδικών ψηφίων. Η καλύτερη επιτυχία οποιασδήποτε τέτοιας πρότασης εξαρτάται από το επίπεδο στο οποίο μπορεί να σχεδιαστεί το φυσικό σχήμα για να πληροί τις απαιτήσεις για την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή, γνωστά ως κριτήρια DiVincenzo [15]. Η ικανοποίηση οποιασδήποτε από αυτές τις απαιτήσεις μεμονωμένα μπορεί να επιτευχθεί εύκολα. Ωστόσο, η από κοινού ικανοποίηση όλων των απαιτήσεων του DiVincenzo αποτελεί πρόκληση και βρίσκεται στο όριο της πρόσφατης έρευνας στον κβαντικό υπολογισμό [14].

Από τη δημιουργία της πριν από εκατό χρόνια, η κβαντική μηχανική είχε κάτι απροσδόκητο να προσφέρει σχεδόν κάθε χρόνο. Τις τελευταίες δεκαετίες, ειδικότερα, σημειώθηκε δραματική αύξηση της θεωρητικής και πρακτικής προόδου. Αλλά οι πιο συναρπαστικές εξελίξεις στην κβαντική μηχανική είναι σίγουρα αυτές που σχετίζονται με την κατασκευή γνήσιων κβαντικών υπολογιστών με υπολογιστικές δυνάμεις που υπερβαίνουν κάθε συμβατικό υπολογιστή.

Τον Νοέμβριο του 2017, ωστόσο, η IBM ανακοίνωσε έναν κβαντικό υπολογιστή 50 qubit [16] και μπορεί να φτάσουμε σύντομα σε έναν κβαντικό υπολογιστή 100 qubit. Οι κβαντικοί υπολογιστές είναι δύσκολο να κατασκευαστούν και πιο δύσκολο να συντηρηθούν. Είναι εξαιρετικά εύθραυστα και χρειάζονται τεράστιες ποσότητες υποδομής μόνο για να λειτουργήσουν. Παρόλο που η τεχνολογία είναι εδώ [17-20], υπάρχουν πολλά εμπόδια στην πλήρη εφαρμογή.

Υπό προϋποθέσεις, όπως η ανάγκη αντιμετώπισης φυσικών προβλημάτων, καθώς οι επεξεργαστές πρέπει να διατηρούνται σε θερμοκρασίες σχεδόν μηδενικές εντός εκατοστών του βαθμού, σημαίνει ότι το υλικό πρέπει να βρίσκεται σε ένα εργαστήριο, όπως τα εργαστήρια της IBM. Επίσης, ένας από τους μεγαλύτερους περιορισμούς είναι το πρόβλημα της αποσυνοχής. Είναι τόσο γνωστό ότι κανένα σύστημα, στην πραγματικότητα, δεν είναι απόλυτα απομονωμένο. Η αποσυνοχή μπορεί να θεωρηθεί ως η απώλεια κβαντικών πληροφοριών από ένα σύστημα στο περιβάλλον. Οι κβαντικές καταστάσεις είναι λεπτά αντικείμενα. φτερνίζονται και εξαφανίζονται.

Τελευταίο, αλλά εξίσου σημαντικό, είναι η ελπίδα να φτάσουμε σε αυτό που ο J. Preskill ανέφερε ως «κβαντική υπεροχή», τη θέση όταν ένας κβαντικός υπολογιστής είναι σε θέση να επεξεργαστεί μια εργασία που αλλιώς θεωρούνταν αδύνατη [21-24]. Ο κβαντικός υπολογισμός δεν έχει νόημα εάν δεν έχει εξελιχθεί ώστε να χειρίζεται όλο τον θόρυβο που δημιουργείται από τα qubits.

Μια από τις πιο πολλά υποσχόμενες αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση ενός κβαντικού υπολογιστή ονομάζεται Quantum Electrodynamics (κύκλωμα QED)[26], η οποία μελετά την αλληλεπίδραση μεταξύ υπεραγώγιμων κυκλωμάτων, που συμπεριφέρονται ως τεχνητά άτομα, τοποθετημένα μέσα σε μια οπτική κοιλότητα υψηλής λεπτότητας [27, 28]. Αυτή η αρχιτεκτονική διακρίνεται από ορισμένα χαρακτηριστικά όπως η χαμηλή διάχυση και ο μικρός όγκος λειτουργίας των κυκλωμάτων που επιτρέπουν την ανάλυση της αλληλεπίδρασης φωτός και ύλης σε επίπεδο μεμονωμένων ατόμων και φωτονίων [29].

Μια κύρια αιτία αποσυνοχής σε υπεραγώγιμα qubits είναι η χαλάρωση και η αποφασοποίηση [30] στα ανοιχτά κβαντικά συστήματα· κάθε σχήμα υλοποίησης διακρίνεται από τους δικούς του χρόνους χαλάρωσης και αφαίρεσης. Αντίστοιχα, πρέπει να εφαρμόσουμε τους υπολογισμούς μας σε χρόνο λιγότερο από αυτούς τους χρόνους.

Το φυσικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε μέσω των ερευνών μας που αποτελείται από τρία άμεσα συζευγμένα υπεραγώγιμα κβαντικά συστήματα, δύο qubits υπεραγώγιμης φάσης και μία κοιλότητα συντονισμού [31], όπως εμφανίζεται στο σχήμα (1), για διερεύνηση της επίδρασης του αριθμού φωτονίων που υπάρχει στην κοιλότητα, όπως μια παράμετρος ελέγχου και η επιρροή της στους χρόνους εφαρμογής των κβαντικών αλγορίθμων.

Οι AbuGhanem et. al. στο [32]  προτείνετε και αναλύστε μια νέα προσέγγιση με μια λεπτομερή πειραματική διαδικασία για τη διερεύνηση της επίδρασης του αριθμού των φωτονίων στην κοιλότητα στους χρόνους πραγματοποίησης κβαντικών πυλών ενός και δύο qubit, προκειμένου να πραγματοποιηθούν οι κβαντικοί αλγόριθμοι για το κύκλωμα QED .

Η μελέτη καταδεικνύει τη συμφραζόμενη χρήση του αριθμού φωτονίων ως καλή παράμετρο ελέγχου στους χρόνους υλοποίησης οποιουδήποτε κβαντικού αλγορίθμου. Αποδεικνύεται ότι οι απαιτούμενοι χρόνοι για την υλοποίηση των κβαντικών αλγορίθμων εξαρτώνται από τον αριθμό των φωτονίων στην κοιλότητα συντονισμού. Υπό την έννοια ότι κάθε φορά που οι αριθμοί των φωτονίων αυξάνονται ελαφρώς σε σχέση με τον αριθμό των qubits, οι χρόνοι πραγματοποίησης αντίστοιχα μειώνονται.

Τα ευρήματά μας οδηγούν σε μια καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων τέτοιων συστημάτων από τα οποία μπορούν να πραγματοποιηθούν αλγόριθμοι πολλαπλών qubit. Επιπλέον, ο χρόνος υλοποίησης του πρωτοκόλλου χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη τεχνική συγκρίνεται με διαφορετικά προηγούμενα σχήματα.

Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν τη δυνατότητα πλήρους ενσωμάτωσης στην υλοποίηση καταστάσεων πολλαπλών φωτονίων πολλών qubit για τον σχεδιασμό κβαντικών αλγορίθμων. Αυτό αποτελεί άμεση απόδειξη ότι αλγόριθμοι πολλαπλών qubit μπορούν να πραγματοποιηθούν σε συστήματα στα οποία ο αριθμός των φωτονίων αυξάνεται ελαφρώς σε σχέση με τον αριθμό των qubits. Τέτοιοι αλγόριθμοι μπορούν να εφαρμοστούν σε πολύ λιγότερο χρόνο από τους χρόνους αφαίρεσης και χαλάρωσης του συστήματος.

Ας ελπίσουμε ότι τα αποτελέσματά μας ανοίγουν το δρόμο προς την πλήρη ενσωμάτωση καταστάσεων πολλαπλών φωτονίων πολλαπλών qubit. Επιπλέον, η τεχνική που προήλθε από αυτήν την έρευνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε άλλες, ίσως πιο επεκτάσιμες, εφαρμογές κβαντικών υπολογιστών σε μελλοντικά πειράματα.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ο έλεγχος κοιλότητας ως νέα θεραπεία εφαρμογής κβαντικών αλγορίθμων, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Frontiers of Physics .

Αναφορές:

1. U. Alvarez-Rodriguez, M. Sanz, L. Lamata &E. Solano, Quantum Artificial Life in an IBM Quantum Computer , Scientific Reports τόμος 8, αριθμός άρθρου: 14793 (2018).
2. Εφαρμογές κβαντικού υπολογισμού, IBM https://www.ibm.com/quantum-computing/
3. Γ. Monroe, D. M. Meekhof, B. E. King, W. M. Itano, and D. J. Wineland, «Demonstration of a fundamental quantum logic gate», Phys. Rev. Lett., τόμ. 75, αρ. 4714, 1995.
4. R.W. Simmonds, K. Lang, D. Hite, S. Nam, D. Pappas, and J. Martinis, «Decoherence in Josephson φάσης qubits from junction resonators», Phys. Rev. lett., τόμ. 93, αρ. 7, σελ. 077003, 2004.
5. Τ. Sleator και H.Weinfrter, «Πραγματοποιήσιμες καθολικές κβαντικές λογικές πύλες», Φυσ. Rev. Lett., τόμ. 74, σελ. 4087, 1995.
6. Isaac Chuang, Building the building blocks, Nature Physics τόμος 14, σελίδες974–975 (2018)
7. Ε. Fredkin and T. Toffoli, “ Conservative logic ”, Int. J. Theor. Phys., τομ. 21, αρ. 3-4, σελ. 219–253, 1982.
8. Δ. P. DiVincenzo, « Quantum computation », Science, τομ. 270, αρ. 5234, σελ. 255–261, 1995.
9. Β. Kane, «A πυριτικός-βασισμένος πυρηνικός κβαντικός υπολογιστής σπιν», Nature, τομ. 393, αρ. 6681, σελ. 133–137, 1998.
10. Ν. Gershenfeld and I. L. Chuang, « Bulk spin resonance quantum computation», Science, τομ. 275, αρ. 5298, σελ. 350–356, 1997.
11. Δ. G. Cory, A. F. Fahmy, and T. F. Havel, " Ensemble quantum computing by NMR spectroscopy", Proc. Nat. Ακαδ. Sci., τομ. 94, αρ. 5, σελ. 1634–1639, 1997.
12. Υ. Nakamura, Y. A. Pashkin και J. S. Tsai, "Συνεκτικός έλεγχος μακροσκοπικών κβαντικών καταστάσεων σε ένα κουτί ενός ζεύγους Cooper", Nature, τομ. 398, σελ. 786–788, 1999.
13. Σ. M. Platzman and M. I. Dykman, « Quantum computing with electrons floating on liquid heium», Science, τομ. 284, αρ. 5422, σελ. 1967–1969, 1999.
14. Μ. Steffen, D. P. DiVincenzo, J. M. Chow, T. N. Theis και M. Ketchen, "Quantum computing:An IBM view," IBM J. RES. &DEV., τομ. 55, σελ. 5, 2011.
15. Δ. P. DiVincenzo, «Η φυσική υλοποίηση του κβαντικού υπολογισμού», Fortschr. Phys., τομ. 48, αρ. 9-11, σελ. 771–783, 2000.um
16. Η IBM δημιουργεί κβαντικό υπολογιστή 50 qubit. http://techvibesnow.com/ibm-builds-50-qubit-quantum-computer/, Νοέμβριος 2017. υπολογισμός
17. Rigetti  υπολογιστική, Quantum Cloud Services , https://www.rigetti.com
18. IBM Q, Το μέλλον είναι κβαντικό, https://www.ibm.com/quantum-computing/
19. Google AI, https://research.google/teams/applied-science/quantum/
20. Martinis Group, Josehson Junction Quuntum computing στο UCSB, https://web.physics.ucsb.edu/~martinisgroup/index.shtml
21. J. Προδεξιότητα. Κβαντικοί υπολογιστές και τα σύνορα εμπλοκής. Στο H. M. Gross, D. and A. Sevrin, εκδότες, The Theory of the Quantum World, σελίδες 63–80, Σιγκαπούρη, 10 Νοεμβρίου 2012. World Scientific Publishing. arXiv:1203.5813 [quant-ph].
22. Γ. Neill et.al., A Blueprint for Demonstrating Quantum Supremacy with Superconducting Qubits, Αναφ.:arxiv.org/abs/1709.06678, (2017)
23. S. Boixo, S. V. Isakov, V. N. Smelyanskiy, R. Babbush, N. Ding, Z. Jiang, M. J. Bremner, J. M. Martinis, and H. Neven. Χαρακτηρισμός της κβαντικής υπεροχής σε βραχυπρόθεσμες συσκευές. arXiv:1608.00263 [quant-ph], Απρίλιος 2017.
24. Cristian S. Calude, Elena Calude, The Road to Quantum Computational  Supremacy  arXiv:1712.01356v3, 2019.
25. Μ. A. Sillanpää, J. I. Park και R. W. Simmonds, Συνεκτική αποθήκευση κβαντικής κατάστασης και μεταφορά μεταξύ δύο qubits φάσης μέσω κοιλότητας συντονισμού, Nature 449, 438 (2007).
26. R. J. Schoelkopf και S. M. Girvin, «Wiring up quantum systems», Nature 451, 664– 669 (2008).
27. S. Haroche και J.-M. Raimond, Εξερευνώντας το Κβαντικό:Άτομα, κοιλότητες και φωτόνια. Oxford University Press, ΗΠΑ, Οκτ., 2006.
28. Η. Walther, B. T. H. Varcoe, B.-G. Englert και T. Becker, “Cavity quantum electrodynamics”, Reports on Progress in Physics 69, 1325–1382 (2006).
29. Lev Samuel Bishop , Circuit Quantum Electrodynamics,  PhD Dissertation , Πανεπιστήμιο Yale Μάιος 2010
30. Peter James Joyce O'Malley, Superconducting Qubits:Dephasing and Quantum Chemistry, διδακτορική διατριβή, UNIVERSITY of CALIFORNIA Santa Barbara, 2016.
31. ΣΤ. Altomare, K. C. J. I. Park, M. A. Sillanpaa, M. S. Allman, D. Li, A. Sirois, J. A. Strong, J. D. Whittaker και R. W. Simmonds, "Tripartite interactions between two stage qubits and a resonant cavity", Nature. Phys. 6, σελ. 777–781, 2010.
32. Μ. AbuGhanem, A. Homid και M. Abdel-Aty,  Ο έλεγχος κοιλότητας ως θεραπεία υλοποίησης νέων κβαντικών αλγορίθμων, Εμπρός. Phys., τομ. 13, αρ. 1, σελ. 130303, (2018).