Введение
Квантовые компьютеры потенциально превосходят классические аналоги при решении ряда задач. Однако масштабирование квантовых вычислений сопряжено с техническими трудностями, а также требует уровень ошибок значительно ниже достижимого с существующими физическими устройствами. Развитие теории квантовой коррекции ошибок представляет собой возможное решение данного затруднения.
Ключевая идея квантовой коррекции ошибок заключается в делокализации логического кубита, распределении функций по нескольким физическим кубитам. В таком случае, даже если произойдёт ошибка в одном и физических кубитов, другие дублирующие кубиты позволят сохранить логическую информацию. Теоретически такой подход при достаточном количестве физических кубитов гарантирует чрезвычайно точные вычисления. На практике же использование коррекции ошибок ресурсозатратно и приводит к существенному усложнению вентилей, действующих на делокализованные кубиты.
В статье описывается создание программируемого квантового процессора на основе аппаратного управления логическими кубитами в массиве нейтральных атомов. Кроме того, демонстрируются применения квантовой коррекции ошибок на описанном процессоре, исследуется отказоустойчивость, масштабируемость вычислений.
Обзор системы
Физическую основу логического процессора образует холодное облако атомов 87Rb, помещённое в магнитооптическую ловушку (МОТ) в вакуумной ячейке. Статическое размещение ловушек достигается с помощью пространственно-временного модулятора света (ПВМС), перемещение и переупорядочивание – с помощью двух акустооптических модуляторов (DTSX 400, AA Opto-Electronic), создающих динамически управляемую сетку. Функциональная схема установки приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема установки
Состояние кубита кодируется в сверхтонких состояниях атомов рубидия, а высокоточное управление отдельными кубитами осуществляется с помощью двухфотонного рамановского возбуждения. Для создания запутывающих вентилей предлагается использовать быстрое двухфотонное возбуждение до ридберговских состояний излучением с длинами волн 420 нм и 1013 нм.
При выполнении алгоритмов вычислений атомы перестраиваются с помощью динамических ловушек, созданных акустооптическими модуляторами (АОМ), что обеспечивает требуемую связность между кубитами. Промежуточное считывание состояний происходит при боковом освещении сфокусированным излучением 780 нм, при этом рассеянные фотоны регистрируются CMOS-камерой с обработкой в реальном времени с помощью ПЛИС.
Система визуализации атомов в ловушках состоит из объектива с числовой апертурой 0,65 и CMOS-камеры с высокой скоростью считывания (Hamamatsu ORCA-Quest). Для непосредственного программирования квантовых схем применяется пять генераторов произвольных сигналов (Spectrum Instrumentation) с малым (менее 10 нс) джиттером.
Акустооптические модуляторы играют главную роль при масштабируемом управлении с адресаций к каждому логическому кубиту как к фундаментальной функциональной единице. При этом логическая архитектура процессора разделена на три зоны (см. рисунок 2). В зоне хранения находятся кубиты с большим временем когерентности, защищённые от ошибок вентилей. В зоне запутывания происходит кодирование и запутывание кубитов. Наконец, в зоне считывания проводятся измерения состояний кубитов.
Рисунок 2 – Логическая архитектура процессора
Результаты
Проведённые эксперименты с новой архитектурой логического процессора подтвердили высокую (свыше 99%) точность операций над кубитами. Продемонстрированы фундаментальные компоненты для масштабируемой коррекции ошибок и квантовой обработки информации с помощью логических кубитов. Показанные в исследовании логические схемы граничат с точными методами моделирования, что обеспечивает потенциал для будущих исследований. Так, например, интерес представляют методы с большим кодовым расстоянием, неклиффордовские операции, а также другие аспекты квантовой коррекции ошибок.
Среди преимуществ новой архитектуры отмечена также и зонная структура управления. Использование трёх отдельных зон для хранения, запутывания и измерения в перспективе позволяет реализовать систему с более чем 10 000 физических кубитов при характерных ошибках двухкубитных вентилей, не превышающих 0.1%.
Источник: Bluvstein, D., Evered, S.J., Geim, A.A. et al. Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays. Nature 626, 58–65 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06927-3
Компания INSCIENCE является поставщиком научно-технических решений для квантовых вычислений
В статье описывается биочип, сочетающий электрод для определения концентрации фенилаланина и микрофлюидный модуль для регистрации скорости потоотделения, изготовленный с использованием лазера. Биочип используется для неинвазивного мониторинга состояния пациентов с метаболическими нарушениями.
В статье описана генерация сверхширокого плоского суперконтинуума (350-1750 нм) с одномодовым поперечным профилем в видимом диапазоне. Для накачки микроструктурированного оптического волокна используется лазер с длиной волны 1064 нм, вторая гармоника накачки генерируется непосредственно в волокне.
В статье приводится применение и основные параметры одночастотных лазеров. Сравниваются лазеры CNI серии MSL с известными европейскими и американскими производителями.
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
