Tværfaglige teams på tværs af Quantum Systems Accelerator (QSA) bruger innovative tilgange til at skubbe grænserne for superledende qubit-teknologi, der broforbryder kløften mellem dagens NISQ (støjende mellemskala kvante) systemer og fremtidige fejltolerante systemer, der er i stand til påvirkende videnskabelige applikationer.
QSA er et af de fem amerikanske Department of Energy National Quantum Information Science (QIS) forskningscentre, der samler førende pionerer inden for Quantum Information Science (QIS) og Engineering på tværs af 15 partnerinstitutioner.
En superledende qubit er lavet af superledende materialer såsom aluminium eller niobium, der udviser kvanteeffekter, når de afkøles til meget lave temperaturer (typisk omkring 20 Millikelvins eller -273,13 ° C). Talrige teknologiselskaber og forskerteam på tværs af universiteter og nationale laboratorier udnytter superledende qubits til prototype videnskabelig computing inden for dette hurtigt voksende felt.
Imidlertid hindrer mange udfordringer med at kontrollere, kalibrere og drive superledende kvanteprocessorer i øjeblikket QBIT -ydeevne og begrænse de mulige simuleringer, især til undersøgelse af komplekse materialesystemer.
Fremme af kvantesimulering
QSA -holdene ved Massachusetts Institute of Technology og MIT Lincoln Laboratory simulerede, hvordan ladede partikler opfører sig under syntetiske elektromagnetiske felter ved hjælp af superledende qubits.
Offentliggør deres resultater i efteråret 2024 i Naturfysikudviklede teamet en to-dimensionel række af 16 superledende transmon-qubits arrangeret i et 4 x 4 gitter. De modificerede qubits ‘egenskaber med kontinuerlige signaler ved hjælp af uafhængige elektriske kontrollinjer for hver qubit. Den resulterende opførsel af qubit -gitteret emulerer et magnetisk vektorpotentiale, et nøglekoncept i elektromagnetisme, der påvirker, hvordan ladede partikler bevæger sig i materialer.
“Nu kan vi ringe til ethvert elektromagnetisk felt, vi ønsker – selv felter ud over, hvad der praktisk talt er muligt i et laboratoriemiljø – og se, hvordan bevægelsen af kvantepartikler ændres i marken. Vores arbejde giver kvantecomputere mulighed for at simulere meget mere af de rige opførsel af kvantematerialer,” sagde MITs Ilan Rosen, der er papirets hovedforfatter.
Holdet validerede deres tilgang til at generere syntetiske elektromagnetiske felter ved at observere halleffekten, hvor en ladet partikel afbøjes sidelæns, når den bevæger sig gennem et materiale under et vinkelret magnetisk felt. I ægte materialer fører halleffekten til en spænding over materialet, så deres eksperiment demonstrerede, hvor præcis kontrol og teknik udvider kapaciteterne for kvantesimulatorer.
Udvidelse af deres tidligere arbejde, der udnytter programmerbarheden af superledende qubit -arrays, QSA -holdene hos MIT og MIT Lincoln Laboratory udtænkte en anden unik tilgang til at studere partikeladfærd og lokalisering. De valgte ti qubits fra 4 × 4 gitteret for at danne en en-dimensionel rhombisk gitter. Denne qubit -konfiguration gjorde det muligt for forskere at fleksibelt manipulere partikeltransport og gruppehastighed, der kaster lys over komplekse fænomener i kondenseret stoffysik.
Resultaterne blev offentliggjort på arxiv Preprint Server i 2024.
Holdet var i stand til at finpusse dette gitter ved hjælp af det syntetiske elektromagnetiske felt. Uden marken bevæger partikler sig frit (spredende båndregime), men når magnetfeltet øges, bremser partiklerne og til sidst sidder fast i gitteret (fladbåndsregime). Introduktionen af lidelse (tilfældige energivariationer) bruges også til at undersøge de karakteristiske transportresponser, der stammer fra den justerbart fladbåndstruktur.
“Vores undersøgelse viser, at tilføjelse af nye kapaciteter til kvantesimulatorer-som elektromagnetiske felter-giver os mulighed for at studere påvirkende fysiske systemer-som materialer med fladbåndstrukturer. Disse teknikker er let udvidelige til større gitter, hvor vi kan studere eksotiske kvantefaser forudsagt af kondedaterede fysiske teorier,” tilføjede Rosen.
Banebrydende kontrolsystemer
Da programmerbare superledende qubit -platforme fremmer grundlæggende forskning, er der et voksende behov i marken for robuste kontrolsystemer. Forskere er nødt til at kontrollere og dirigere kvanteinformationssystemer ved at udføre realtids-qubit-målinger. Et QSA-team i Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) byggede et modulært feltprogrammerbar Gate Array (FPGA) -baseret elektronikkontrolsystem kaldet QUBIC 2.0, hvor de offentliggjorde deres resultater på arxiv Preprint Server, (efter at have bygget sin forgænger, QUBIC).
Qubic 2.0 er unikt skræddersyet til superledende kvantesystemer og er fuldt open source, hvilket gør det tilgængeligt for det bredere samfund. Det fungerer med rumtemperaturelektronikhardware, FPGA Gateware og ingeniørsoftware for at realisere de ønskede radiofrekvensimpulser til at kontrollere og måle qubits. Den fuldt open sourced QUBIC 2.0 Gateware giver også udsøgt adgang på lavt niveau for forskere til alle kontrollag, hvilket gør det muligt for andre at deltage i produktets udvikling og give feedback.
“Qubic 2.0 (og dens forgænger Qubic) giver et modulopbygget, skalerbart og omkostningseffektivt qubit-kontrolhardwaresystem og tilpasset teknisk løsning til nye platforme, der udvikles i marken. Fællesskabets feedback gør det potentielt kompatibelt med andre kvanteberegningsprototyper og teknologier, som QSA går videre,” forklarede Gang Huang, hvem der ledes det qubic-design fra den accelerateknologi & Appled Physics (atap) på Berkeley Lab.
Qubic 2.0 udnytter også de seneste fremskridt inden for kunstig intelligens (AI) og maskinlæring. Det integrerer et flerlags brugerdefineret neuralt netværk direkte på FPGA -chippen. I henhold til holdets eksperimentelle resultater tager den AI-drevne FPGA kun 54 ns inferenstid for statsskumning, hvilket forbedrer kvanteudlæsningens tro fra 92% til 98%.
“Med QUBIC 2.0’s kapaciteter er måling af midtkredsløb og fremadrettet teknikker opnåelige, hvilket muliggør realisering af avancerede kvantealgoritmer og en bredere klasse af eksperimenter. Dette kontrolsystem opfylder det voksende krav til skalerbarhed og open source-systemer, der skaber co-design i kvanteforskning på QSA og det bredere økosystem,” sagde Yilun Xu, Qubics attesign i kvantum ved QSA og det bredere økosystem, “sagde Yilun Xu, QuuUs, Qubering atta. Berkeley Lab’s ATAP Division.
Vurdering af ydeevne
Et andet eksempel på nye tilgange ved hjælp af superledende qubits blev ledet af et team af forskere ved University of California, Berkeley, i samarbejde med Berkeley Lab og Sandia National Laboratories. Forskere introducerede en ny teknik til at vurdere ydelsen af kvante logikporte kaldet Mirror randomiseret benchmarking (MRB), som kan skalere til tusinder af qubits. Mange vidt anvendte metoder, som randomiseret benchmarking, bliver upraktiske ud over et lille antal qubits.
Deres resultater, der er offentliggjort i Fysisk gennemgang xdemonstrerer, at metoden er yderst tilpasningsdygtig, hvilket skaber en måde at studere ydelsen af visse porte eller endda algoritmer uden dyre beregninger.
“MRBs skalerbarhed giver den mulighed for nøjagtigt at fange fler-qubit krydstalefejl, der er gået glip af standard en- og to-qubit benchmarks. Disse krydstalefejl kan være meget skadelige for ydelsen. Vores MRB-resultater afslører, at de udgør en betydelig brøkdel af fejlen i nogle af dagens kvanteprocessorer,” sagde hovedforfatter Jordan Hines.
QSA -teams, der fokuserer på superledende qubit -platforme, skubber grænserne for de nye kvanteteknologier og åbner nye muligheder for avanceret computing og udforskning af komplekse fænomener. Fra simulering af syntetiske elektromagnetiske felter og partikeladfærd til udvikling af skalerbare kontrolsystemer og avancerede benchmarking -teknikker, baner de vejen for alsidige kvantesystemer.
Det sømløse samarbejde på tværs af QSA vil fortsætte med at fremskynde fremskridt hen imod fejltolerant kvanteberegning og skabe nye muligheder for udveksling af lektioner om qubit-teknologier.