Als je een kwantumcomputer bouwt met de bedoeling berekeningen te maken die met de huidige conventionele technologie niet eens denkbaar zijn, je staat voor een zware inspanning. Voorbeeld:je verdiept je in nieuwe problemen en situaties die verband houden met het fundamentele werk van nieuwe en gecompliceerde systemen en geavanceerde technologie.

Zo is het leven voor de wetenschappers van de Martinis Group van UC Santa Barbara en Google, Inc., terwijl ze de opwindende maar ook enigszins contra-intuïtieve wereld van quantum computing verkennen. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , zij en collega's van de Tulane University in New Orleans demonstreren een relatief eenvoudig maar compleet platform voor kwantumverwerking, integratie van de besturing van drie supergeleidende qubits.

"We onderzoeken de rand van ons vermogen, " zei de hoofdauteur van de krant, Pedram Roushan. Er zijn nogal wat pogingen gedaan om afzonderlijke onderdelen van een kwantumprocessor te bouwen en te bestuderen, hij legde uit, maar dit specifieke project houdt in dat ze allemaal worden samengevoegd in een basisbouwsteen die volledig kan worden gecontroleerd en mogelijk kan worden opgeschaald tot een functionele kwantumcomputer.

Echter, voor een volledig bruikbare kwantumcomputer - met al zijn potentieel voor enorme, snelle en gelijktijdige berekeningen kunnen worden gemaakt, er doen zich verschillende en soms onvoorspelbare en spontane omstandigheden voor die begrepen moeten worden naarmate de onderzoekers meer controle en verfijning van hun systeem nastreven.

"Je hebt te maken met deeltjes - in dit geval qubits - die met elkaar in wisselwerking staan, en ze hebben interactie met externe velden, " zei Roushan. "Dit alles leidt tot zeer gecompliceerde fysica."

Om dit specifieke veellichamenprobleem te helpen oplossen, hij legde uit, hun volledig controleerbare kwantumverwerkingssysteem moest worden opgebouwd uit een enkele qubit, om de onderzoekers de kans te geven de staten beter te begrijpen, gedrag en interacties die kunnen optreden.

Door de pulssequenties te ontwerpen die worden gebruikt om de spins van de fotonen in hun systeem te manipuleren, de onderzoekers creëerden een kunstmatig magnetisch veld dat hun gesloten lus van drie qubits beïnvloedde, waardoor de fotonen niet alleen sterk met elkaar interageren, maar ook met het pseudo-magnetische veld. Geen geringe prestatie.

"Natuurlijk zijn de meeste systemen met een goede controle fotonische systemen, " zei co-auteur Charles Neill. In tegenstelling tot elektronen, ladingsloze fotonen hebben over het algemeen niet de neiging om met elkaar of met externe magnetische velden te interageren, hij legde uit. "In dit artikel laten we zien dat we ze heel sterk met elkaar kunnen laten communiceren, en zeer sterk interageren met een magnetisch veld, wat zijn de twee dingen die je moet doen om ze interessante natuurkunde met fotonen te laten doen, ' zei Nel.

Een ander voordeel van dit systeem van synthetische gecondenseerde materie is het vermogen om het in zijn laagst gelegen energietoestand te brengen - de grondtoestand genoemd - om zijn eigenschappen te onderzoeken.

Maar met meer controle komt het potentieel voor meer decoherentie. Terwijl de onderzoekers streefden naar meer programmeerbaarheid en het vermogen om de qubits te beïnvloeden en te lezen, hoe opener hun systeem was voor fouten en verlies van informatie.

"Hoe meer controle we hebben over een kwantumsysteem, hoe meer complexe algoritmen we zouden kunnen gebruiken, " zei co-auteur Anthony Megrant. "Echter, elke keer dat we een controlelijn toevoegen, we introduceren ook een nieuwe bron van decoherentie." Op het niveau van een enkele qubit, een kleine foutmarge kan worden getolereerd, legden de onderzoekers uit, maar zelfs met een relatief kleine toename van het aantal qubits, de kans op fouten neemt exponentieel toe.

"Er zijn correcties die intrinsiek kwantummechanisch zijn, en dan beginnen ze ertoe te doen op het niveau van precisie dat we bereiken, ' zei Nel.

Om de kans op fouten te bestrijden en tegelijkertijd hun controleniveau te vergroten, het team moest zowel de architectuur van hun circuit als het materiaal dat erin werd gebruikt heroverwegen. In plaats van hun traditionele single-level, vlakke lay-out, de onderzoekers hebben het circuit opnieuw ontworpen zodat controlelijnen anderen kunnen "oversteken" via een zelfdragende metalen "brug". Het diëlektricum - het isolatiemateriaal tussen de geleidende stuurdraden - bleek zelf een belangrijke bron van fouten te zijn.

"Alle gedeponeerde diëlektrica die we kennen zijn zeer verliesgevend, "Megrant zei, en dus werd een nauwkeuriger gefabriceerd en minder defectief substraat ingebracht om de kans op decoherentie te minimaliseren.

Vooruitgang is stapsgewijs maar solide, volgens de onderzoekers die het ware potentieel van hun kwantumsysteem blijven onderzoeken. Voeg toe aan die delicate danssnelheid, wat essentieel is voor het soort prestaties dat ze willen zien in een volledig operationele kwantumcomputer. Lage snelheden verminderen besturingsfouten, maar maken het systeem kwetsbaarder voor coherentielimieten en defecten die door de materialen worden opgelegd. Hoge snelheden vermijden de invloed van defecten in het materiaal, maar verminderen de hoeveelheid controle die de operators over het systeem hebben, ze zeiden.

Met dit platform, echter, schaalvergroting wordt een realiteit van de niet al te verre toekomst, ze zeiden.

"Als we deze systemen heel precies kunnen besturen - misschien op het niveau van 30 qubits of zo - kunnen we berekeningen maken die geen conventionele computer kan, ' zei Roushan.