Op zoek naar tekenen van deze vreemde kosmische invloeden ontwierpen wetenschappers van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie een apparaat om hun veronderstelde effecten op draaiende elektronen te meten. Toen beseften ze dat het idee veelbelovend was in een ander domein:kwantumcomputing.

Kwantumcomputers vormen de volgende grens in de informatietechnologie. Deze machines, die ooit beperkt waren tot verre theorie en sciencefiction, maken gebruik van de maffe, wonderbaarlijke krachten van de submicroscopische wereld om problemen op te lossen die misschien te moeilijk zijn voor klassieke computers (denk aan 1-en en 0-en) en zelfs aan de gigantische supercomputers van extreme schaal. vandaag.

De bloeiende, mondiale zoektocht heeft de afgelopen jaren enorme sprongen gemaakt, waarbij grote technologiebedrijven, startups en overheden een allegaartje aan platforms nastreven – elk met sterke en zwakke punten. Maar vanwege de delicate mechanismen waarop deze systemen werken, is de decennialange zoektocht om ze betrouwbaar en praktisch te gebruiken tot nu toe ongrijpbaar gebleken.

Nu gooit een door Jefferson Lab geleid team zijn hoed in de spreekwoordelijke ring met een unieke 'CPU', geboren uit deeltjesversnellertechnologie en de studie van het zichtbare universum. Het zou kunnen wedijveren met sommige van de luidruchtige, energievretende prototypes die momenteel worden onderzocht, of zelfs beter presteren.

"We vinden nieuwe wegen voor onze bestaande expertise op het gebied van kernfysica", zegt Riad Suleiman, de hoofdonderzoeker van het onderzoek. "Ons doel is om een ​​nieuw tijdperk van quantum computing-onderzoek te openen in het Jefferson Lab."

Bekend geluid

Suleiman is gespecialiseerd in injectoren, de apparaten die deeltjesversnellers met hun stralen doordrenken. Hij begon te werken bij Jefferson Lab als student aan de Kent State University in 1995 en trad in 2007 fulltime in dienst bij het personeel na een periode als postdoctoraal onderzoeker bij MIT en Virginia Tech. Suleiman heeft zich aangesloten bij Vasiliy Morozov, een voormalige acceleratorfysicus van het Jefferson Lab die werkt bij het Oak Ridge National Laboratory van het DOE, en Matt Grau, een expert op het gebied van quantumcomputers met gevangen ionen van de Old Dominion University.

Er werd een volledig patent ingediend op hun 'kern' voor kwantumcomputers, waarbij geladen atomen (ionen) worden opgevangen en in een achtvormige bundellijn worden geïnjecteerd. Deze roestvrijstalen, vacuümdichte ring is ontworpen om de ionenrotatie tijdens het circuleren in stand te houden. Op deze manier opgeslagen kunnen de atomen fungeren als kwantumbits, kortweg qubits.

Het project ging van start in 2022 onder het Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-programma van Jefferson Lab, maar de geschiedenis gaat ver terug.

Morozov bracht meer dan een decennium door bij Jefferson Lab voordat hij in 2020 bij Oak Ridge kwam. Hij was betrokken bij vroege ontwerpconcepten voor de Electron-Ion Collider (EIC), een deeltjesversneller van de volgende generatie die wordt gebouwd in het Brookhaven National Laboratory van de DOE in samenwerking met Jefferson-lab.

Een van de EIC-ontwerpen omvatte bundellijnen in de vorm van een acht, inclusief een ring voor het opslaan van elektronen voordat ze tegen versnelde ionen botsen.

"De uitdaging bij sommige versnellers is dat de spin van alle deeltjes in dezelfde richting wijst", zegt Morozov, die nog steeds betrokken is bij de EIC. "Je moet ze op één lijn houden, want als je niet oppast, krijg je een volkomen chaotische oriëntatie. Het cijfer acht werd voorgesteld als een universele manier om deze uitlijning te behouden voor precisie-experimenten."

De uiteindelijke EIC-selectie van de DOE was een grotendeels circulair ontwerp, maar het achtvormige model werd niet geschrapt. Suleiman en Morozov vormden een team om een ​​ander gebruik van deze nieuwe ringen te onderzoeken:de zoektocht naar aanwijzingen over de oorsprong en structuur van het universum.

De fysieke wereld dankt zijn bestaan ​​aan een teveel aan materie ten opzichte van antimaterie, en Suleiman zei dat ringen in de vorm van een 8 een ideale plek zijn om elektroneneigenschappen te meten die deze onbalans zouden kunnen verklaren. De elementaire deeltjes, die binnen deze ringen ronddraaien, zullen naar verwachting ook overgevoelig zijn voor hypothetische krachten die verband houden met donkere materie en donkere energie.

Tijdens dit onderzoek bedacht het team van Suleiman een ander gebruik voor de ringen.

"Zo kwam het idee tot leven", zei Suleiman.

Kwantumrijk

Kwantumcomputers zorgen niet noodzakelijkerwijs voor een snellere of kleinere CPU, dus je zult er niet snel een op je bureau of schoot vinden. Ze hebben alleen toegang tot een andere rekenruimte.

"Voor enkele van de moeilijkste problemen die supercomputers vandaag de dag aanpakken, bestaat het potentieel voor kwantumcomputers om ze uiterst efficiënt op te lossen", aldus Grau.

Velden die hiervan zouden kunnen profiteren zijn onder meer cryptografie, datawetenschap, zoekalgoritmen en kunstmatige intelligentie. Een andere is het modelleren van kwantumsystemen, zoals nanomaterialen, kwantumchemie, kwantumoptica en kwantumveldtheorieën.

"Het blijkt dat deze computers erg goed zijn in het oplossen van problemen in de kwantumfysica", zei Grau. ‘Dit is erg handig als je de routes van bepaalde chemische reacties wilt simuleren of hoe een interessant eiwit in een medicijn zou kunnen werken. In plaats van het in een bekerglas te proberen, kun je het proberen in een computer die van nature de taal van de kwantummechanica spreekt. ."

Qubits kunnen worden vergeleken met de binaire bits van een klassieke computer. Maar in plaats van alleen een 1 of 0 weer te geven, kunnen ze veel verschillende berekenbare toestanden tegelijkertijd vertegenwoordigen via de vreemde kwantumeigenschap van superpositie. Hun verwerkingskracht kan verder worden versterkt door ze aan elkaar te rijgen via een andere eigenzinnige kwantumfunctie die verstrengeling wordt genoemd.

Verstrengeling is een fundamentele vreemdheid van kwantumsystemen waarin de fysieke toestanden van deeltjes, zoals spin, direct gecorreleerd kunnen worden – in principe zelfs als ze lichtjaren van elkaar verwijderd zijn. Dit kan worden bereikt in een val die de ionen – in dit geval Ytterbium – opsluit met behulp van een oscillerend elektrisch veld. De val bevindt zich onder ultrahoog vacuüm en wordt gekoeld tot temperaturen die kouder zijn dan de diepe ruimte.

"Een miljoenste graad boven het absolute nulpunt is waar alle beweging feitelijk is bevroren, en deze deeltjes zijn volkomen stil", zei Grau. "Bij deze zeer koude temperaturen kun je een extreme mate van controle krijgen. Dit is van cruciaal belang voor het functioneren van kwantumcomputers."

Van daaruit injecteert een combinatie van statische en tijdsafhankelijke elektrische velden de ionen in de ring.

Beoordeling achten

Grote technologiebedrijven als Amazon, Google, Microsoft en IBM onderzoeken op supergeleidende kwantumcomputers gebaseerde kwantumcomputing, en een ander Jefferson Lab-team werkt samen met de particuliere sector om ultra-energie-efficiënte supergeleidende digitale elektronica te onderzoeken. Andere bedrijven en startups onderzoeken neutrale atomen, gevangen ionen en fotonica, maar het is onduidelijk welke technologie zich van de rest zal scheiden.

De meest cruciale vereiste voor een kwantumcomputer is waarschijnlijk dat deze een ‘gesloten doos’ moet zijn, wat betekent dat hij geïsoleerd moet zijn van de rest van het universum. Externe interferentie of het lekken van informatie van binnenuit kan de schuimende zee van waarschijnlijkheden waarop de computer werkt, verstoren.

Door isolatie door preventie en annulering van externe interacties kunnen de ionen hun kwantumtoestanden behouden. Deze kwaliteit wordt coherentie genoemd en moet lang genoeg aanhouden zodat de computer zijn complexe algoritmen kan uitvoeren.

Dankzij een bundellijnvacuüm en de natuurlijk voorkomende annulering van de spin-effecten in een achtvormige lay-out, wordt verwacht dat een dergelijke ring coherentietijden van meer dan drie uur zal bieden. Net als in de Ant-Man-franchise van het Marvel Cinematic Universe is drie uur een leven lang in de kwantumwereld – en dit leven overtreft ruimschoots de huidige stand van de techniek.

Ter vergelijking:de supergeleidende Condor-computer van IBM biedt coherentietijden van ongeveer 200 microseconden, en het 216-qubit-systeem van Xanadu kan ongeveer 34 milliseconden duren zonder te decoheren. Het H2-gevangen-ion-systeem van Quantinuum presteert iets beter dan deze platforms met een coherentie van meer dan 100 seconden, en het neutrale-atoomplatform van Atom Computing heeft een bereik van 40 seconden.

De verwachting is dat de ring met cijfer 8 ook beter zal presteren dan deze systemen wat betreft het aantal qubits dat hij kan opslaan. Met een lengte van ongeveer twaalf meter en een breedte van zes meter (ongeveer de oppervlakte van een klein appartement) kunnen deze ringen maar liefst 3.000 qubits verzamelen. Ze kunnen nog verder opschalen door meerdere ringen te stapelen, zei Suleiman. Alleen al het aantal qubits zou een grote bijdrage leveren aan de fouttolerantie en foutcorrectie.

"Het nauwkeurig kunnen berekenen met foutcorrectie betekent meestal dat je veel meer qubits nodig hebt dan je zou doen om aan de behoeften van je algoritme te voldoen", aldus Grau. "Dus schaalvergroting is uiteindelijk de grote uitdaging waarmee alle kwantumcomputers te maken krijgen."

Ondertussen werkt IBM's Condor op 1.121 qubits en de neutrale-atoommachine van Atom Computing op 1.180. Quantinuum's H2 gebruikt momenteel 32 qubits, net als IonQ's Forte gevangen-ion-systeem.

Brookhaven Lab onderzoekt ook opslagringen voor kwantumcomputers, maar het gepatenteerde model is elliptisch van ontwerp en vertrouwt op extreme straalkoeling. Ondertussen staat het team van Suleiman op de rand van een volledig patent voor het cijfer 8, dat gebruik maakt van tamelijk robuuste kwantumspineffecten, waarbij geen sprake is van moeilijk bereikbare kwantumkenmerken van de orbitale beweging van het deeltje.

"De opslagring in de vorm van een 8 is eenvoudigweg ontwikkeld om de spins van deeltjes te behouden", zei Suleiman. "Het is een heel eenvoudig concept, maar het bleek vruchtbaar als je het op verschillende gebieden toepast. Als we de mogelijkheden ervan kunnen gaan demonstreren, kunnen we op een dag met een bedrijf samenwerken om het idee verder te ontwikkelen."

Geleverd door Thomas Jefferson National Accelerator Facility