Vorig jaar, onderzoekers van Fermilab ontvingen meer dan $ 3,5 miljoen voor projecten die zich verdiepen in het ontluikende veld van kwantuminformatiewetenschap. Onderzoek gefinancierd door de subsidie ​​loopt het hele gamma, van het bouwen en modelleren van apparaten voor mogelijk gebruik bij de ontwikkeling van kwantumcomputers tot het gebruik van ultrakoude atomen om donkere materie te zoeken.

Voor hun kwantumcomputerproject, Fermilab-deeltjesfysicus Adam Lyon en computerwetenschapper Jim Kowalkowski werken samen met onderzoekers van het Argonne National Laboratory, waar ze simulaties zullen uitvoeren op krachtige computers. Hun werk zal helpen bepalen of instrumenten die supergeleidende radiofrequentieholtes worden genoemd, ook gebruikt in deeltjesversnellers, kan een van de grootste problemen oplossen waarmee de succesvolle ontwikkeling van een kwantumcomputer wordt geconfronteerd:de decoherentie van qubits.

"Fermilab is een pionier in het maken van supergeleidende holtes die deeltjes in een korte ruimte in een extreem hoge mate kunnen versnellen, " zei Lyon, een van de leidende wetenschappers van het project. "Het blijkt dat dit direct van toepassing is op een qubit."

Onderzoekers in het veld hebben de afgelopen decennia gewerkt aan het ontwikkelen van succesvolle kwantumcomputers; tot dusver, het is moeilijk geweest. Dit komt vooral omdat kwantumcomputers zeer stabiele omstandigheden moeten handhaven om qubits in een kwantumtoestand te houden die superpositie wordt genoemd.

Superpositie

Klassieke computers gebruiken een binair systeem van nullen en enen, bits genoemd, om gegevens op te slaan en te analyseren. Acht bits samen vormen één byte aan gegevens, die aan elkaar kunnen worden geregen om nog meer informatie te coderen. (Er zijn ongeveer 31,8 miljoen bytes in het gemiddelde digitale nummer van drie minuten.) kwantumcomputers worden niet beperkt door een strikt binair systeem. Liever, ze werken op een systeem van qubits, die elk een continu reeks toestanden kunnen aannemen tijdens de berekening. Net zoals een elektron dat in een baan om een ​​atoomkern draait geen discrete locatie heeft, maar alle posities in zijn baan tegelijk inneemt in een elektronenwolk, een qubit kan worden gehandhaafd in een superpositie van zowel nul als één.

Aangezien er twee mogelijke toestanden zijn voor een gegeven qubit, een paar verdubbelt de hoeveelheid informatie die kan worden gemanipuleerd: ² =4. Gebruik vier qubits, en die hoeveelheid informatie groeit tot 2 ⁴ =16. Met deze exponentiële toename, er zouden slechts 300 verstrengelde qubits nodig zijn om meer informatie te coderen dan er materie in het universum is.

Parallelle posities

Qubits vertegenwoordigen gegevens niet op dezelfde manier als bits. Omdat qubits in superpositie tegelijkertijd nul en één zijn, ze kunnen op dezelfde manier alle mogelijke antwoorden op een bepaald probleem tegelijkertijd vertegenwoordigen. Dit wordt kwantumparallellisme genoemd, en het is een van de eigenschappen die kwantumcomputers zo veel sneller maakt dan klassieke systemen.

Het verschil tussen klassieke computers en hun kwantumtegenhangers zou kunnen worden vergeleken met een situatie waarin er een boek is met enkele pagina's die willekeurig in blauwe inkt zijn afgedrukt in plaats van in zwart. De twee computers krijgen de taak om te bepalen hoeveel pagina's er in elke kleur zijn afgedrukt.

"Een klassieke computer zou elke pagina doornemen, " zei Lyon. Elke pagina zou worden gemarkeerd, een per keer, als ofwel gedrukt in zwart of in blauw. "Een kwantumcomputer, in plaats van de pagina's opeenvolgend te doorlopen, zou ze allemaal tegelijk doornemen."

Toen de berekening klaar was, een klassieke computer zou je een duidelijk, discreet antwoord. Als het boek drie pagina's in blauw had gedrukt, dat is het antwoord dat je zou krijgen.

"Maar een kwantumcomputer is inherent probabilistisch, ' zei Kowalkowski.

Dit betekent dat de gegevens die u terugkrijgt niet definitief zijn. In een boek met 100 pagina's, de gegevens van een kwantumcomputer zouden niet slechts drie zijn. Het zou je ook kunnen geven, bijvoorbeeld, een kans van één procent op drie blauwe pagina's of een kans van één procent op 50 blauwe pagina's.

Een duidelijk probleem doet zich voor bij het interpreteren van deze gegevens. Een kwantumcomputer kan ongelooflijk snelle berekeningen uitvoeren met parallelle qubits, maar het spuugt alleen waarschijnlijkheden uit, die, natuurlijk, is niet erg nuttig - tenzij, dat is, het juiste antwoord kan op de een of andere manier een grotere kans krijgen.

Interferentie

Beschouw twee watergolven die elkaar naderen. Als ze elkaar ontmoeten, ze kunnen constructief tussenbeide komen, het produceren van een golf met een hogere top. Of ze kunnen destructief interfereren, elkaar opheffen zodat er geen golf meer is om van te spreken. Qubit-toestanden kunnen ook als golven fungeren, dezelfde interferentiepatronen vertonen, een eigenschap die onderzoekers kunnen gebruiken om het meest waarschijnlijke antwoord op het probleem dat ze krijgen te identificeren.

"Als je interferentie kunt instellen tussen de goede antwoorden en de verkeerde antwoorden, je kunt de kans vergroten dat de goede antwoorden meer opduiken dan de verkeerde antwoorden, Lyon zei. "Je probeert een kwantummanier te vinden om de juiste antwoorden constructief te laten interfereren en de verkeerde antwoorden destructief."

Wanneer een berekening wordt uitgevoerd op een kwantumcomputer, dezelfde berekening wordt meerdere keren uitgevoerd, en de qubits mogen met elkaar interfereren. Het resultaat is een verdelingscurve waarin het juiste antwoord de meest voorkomende respons is.

Luisteren naar signalen boven de ruis

In de afgelopen vijf jaar, onderzoekers aan universiteiten, overheidsinstellingen en grote bedrijven hebben bemoedigende vorderingen gemaakt in de richting van de ontwikkeling van een bruikbare kwantumcomputer. Vorig jaar, Google kondigde aan dat het berekeningen had uitgevoerd op hun kwantumprocessor genaamd Sycamore in een fractie van de tijd die 's werelds grootste supercomputer nodig zou hebben om dezelfde taak te voltooien.

Toch zijn de kwantumapparaten die we vandaag hebben nog steeds prototypes, verwant aan de eerste grote vacuümbuiscomputers van de 194-nullen.

"De machines die we nu hebben schalen niet veel op, ' zei Lyon.

Er zijn nog een paar hindernissen die onderzoekers moeten overwinnen voordat kwantumcomputers levensvatbaar en concurrerend worden. Een van de grootste is het vinden van een manier om delicate qubit-toestanden lang genoeg geïsoleerd te houden zodat ze berekeningen kunnen uitvoeren.

Als een verdwaald foton - een lichtdeeltje - van buiten het systeem zou interageren met een qubit, zijn golf zou interfereren met de superpositie van de qubit, in wezen de berekeningen veranderen in een warboel - een proces dat decoherentie wordt genoemd. Hoewel de koelkasten redelijk goed werk leveren om ongewenste interacties tot een minimum te beperken, ze kunnen dit slechts een fractie van een seconde doen.

"Quantumsystemen worden graag geïsoleerd, "Lon zei, "en er is gewoon geen gemakkelijke manier om dat te doen."

Dat is waar het simulatiewerk van Lyon en Kowalkowski van pas komt. Als de qubits niet koud genoeg kunnen worden gehouden om een ​​verstrengelde superpositie van staten te behouden, misschien kunnen de apparaten zelf zo worden geconstrueerd dat ze minder gevoelig zijn voor ruis.

Het blijkt dat supergeleidende holten gemaakt van niobium, normaal gebruikt om deeltjesbundels in versnellers voort te stuwen, zou de oplossing kunnen zijn. Deze holtes moeten zeer nauwkeurig worden geconstrueerd en bij zeer lage temperaturen werken om de radiogolven die deeltjesbundels versnellen efficiënt te verspreiden. Onderzoekers theoretiseren dat door kwantumprocessors in deze holtes te plaatsen, de qubits kunnen seconden ongestoord communiceren in plaats van het huidige record van milliseconden, waardoor ze voldoende tijd hebben om complexe berekeningen uit te voeren.

Qubits zijn er in verschillende soorten. Ze kunnen worden gemaakt door ionen op te sluiten in een magnetisch veld of door stikstofatomen te gebruiken die worden omringd door het koolstofrooster dat van nature in kristallen wordt gevormd. Het onderzoek bij Fermilab en Argonne zal zich richten op qubits gemaakt van fotonen.

Lyon en zijn team hebben de taak op zich genomen om te simuleren hoe goed radiofrequentieholten naar verwachting zullen presteren. Door hun simulaties uit te voeren op krachtige computers, bekend als HPC's, bij het Argonne National Laboratory, ze kunnen voorspellen hoe lang fotonqubits kunnen interageren in deze omgeving met ultralage ruis en rekening houden met eventuele onverwachte interacties.

Onderzoekers over de hele wereld hebben open-sourcesoftware voor desktopcomputers gebruikt om verschillende toepassingen van kwantummechanica te simuleren, ontwikkelaars voorzien van blauwdrukken voor het opnemen van de resultaten in technologie. De omvang van deze programma's, echter, wordt beperkt door de hoeveelheid geheugen die beschikbaar is op pc's. Om de exponentiële schaling van meerdere qubits te simuleren, onderzoekers moeten HPC's gebruiken.

"Van een desktop naar een HPC gaan, je bent misschien 10, 000 keer sneller, " zei Matthew Otten, een fellow bij Argonne National Laboratory en medewerker aan het project.

Zodra het team hun simulaties heeft voltooid, de resultaten zullen door Fermilab-onderzoekers worden gebruikt om de holtes te helpen verbeteren en testen om als rekenapparatuur te fungeren.

"Als we een simulatieraamwerk opzetten, we kunnen zeer gerichte vragen stellen over de beste manier om kwantuminformatie op te slaan en de beste manier om deze te manipuleren, " zei Erik Holland, het plaatsvervangend hoofd kwantumtechnologie bij Fermilab. "We kunnen dat gebruiken om richting te geven aan wat we ontwikkelen voor kwantumtechnologieën."