Главная / Библиотека / Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов

Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов

Теги квантовая коррекция ошибок квантовые вычисления
Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов

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. 

fig1

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.

fig2

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

Теги квантовая коррекция ошибок квантовые вычисления
Новые статьи
Квантовый генератор случайных чисел со скоростью 100 Гбит/с на основе вакуумных флуктуаций
В статье представлен высокоскоростной квантовый генератор случайных чисел на основе вакуумных флуктуаций в интегральном исполнении. За счёт оптимизации оптоэлектронной архитектуры и применения цифровой постобработки устройство демонстрирует скорость генерации до 100 Гбит/с и высокий уровень помехозащищённости.
Логический квантовый процессор на основе реконфигурируемых массивов атомов
В работе описаны архитектура и принципы построения реконфигурируемого логического квантового процессора с 280 физическими кубитами. Новая система обеспечивает высокую точность одно- и двухкубитных операций, а также гибкость измерений состояний кубитов, удобство построения требуемой топологии связей между кубитами.
Квантовая обратная связь с использованием оборудования Zurich Instruments
В статье описаны конфигурации и характеристики локальной и глобальной квантовой обратной связи при использовании оборудования Zurich Instruments для активного сброса кубитов, масштабируемых квантовых вычислений и квантовой коррекции ошибок.
Улучшения реализаций систем квантового распределения ключей в атмосферных каналах с использованием сверхпроводящих детекторов

В статье рассматриваются последние достижения в решении проблем систем квантового распределения ключей, работающих на длине волны 1550 нм в открытом оптическом канале связи.  Уменьшение влияния солнечной засветки и атмосферной турбулентности достигнуто благодаря сверхпроводящим детекторам.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3