Неразрушающие измерения, реализованные в кубитах иттербия, помогают масштабировать квантовые вычисления на нейтральных атомах
Атомы металла иттербия-171, возможно, наиболее близки в природе к совершенным кубитам. Недавнее исследование показывает, как использовать их для повторных квантовых измерений и вращений кубитов, что может помочь в разработке масштабируемых квантовых вычислений. Физики из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали процедуру измерения кубитов иттербия-171, которая сохраняет их для будущего использования. Как сообщают исследователи в журнале PRX Quantum, достижение этого «неразрушающего измерения» позволило им использовать процессор для длительных многоэтапных вычислений, которые лежат в основе многих квантовых алгоритмов.
Путем неразрушающего измерения кубитов иттербия-171 исследователи добились контроля в реальном времени.
Фото: PRX Quantum (2023). DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.030337
«За последние пару лет иттербий-171 стал очень многообещающим кандидатом для квантовых вычислений», — сказал Уильям Хьюи, ведущий автор исследования. «И теперь, когда мы продемонстрировали неразрушающие измерения и вращения кубитов, мы показали, что массивы атомов иттербия перспективны для определенных классов операций квантовых вычислений».
Из многих платформ квантовых вычислений, которые в настоящее время исследуются, массивы нейтральных атомов, таких как иттербий, являются одними из наиболее многообещающих. Их легко масштабировать до систем больших размеров, а поскольку они используют природные атомы, возникает меньше проблем с аппаратным обеспечением и производством. Однако некоторые типы атомов сложнее использовать, поскольку они имеют сложную структуру уровней.
«Квантовые вычисления основаны на кубитах — по сути, квантовых системах с двумя доступными уровнями», — сказал Джейкоб Кови, профессор физики Университета штата Иллинойс и руководитель проекта. «Однако, несмотря на все свои преимущества, атомы могут иметь десятки доступных уровней. Может быть довольно сложно гарантировать, что вы работаете только с двумя уровнями одновременно».
Иттербий-171 привлек внимание в последние годы, поскольку при охлаждении до состояния с самой низкой энергией он содержит только два доступных квантовых уровня. Таким образом, операция над атомами с гораздо меньшей вероятностью выведет их из желаемого двухуровневого состояния кубита, что значительно упрощает неразрушающие измерения.
«Но, возможно, это немного противоречит здравому смыслу, но эти свойства, которые очень хороши для квантовых операций, достигаются за счет гораздо более сложной общей структуры атома», — сказал Кови. «Нам и другим группам, работающим с иттербием и другими щелочноземельными атомами, пришлось заново разработать многие из ныне стандартных методов атомной физики, чтобы справиться с ее сложностями».
Исследователи сообщают, что им удалось провести неразрушающее измерение кубитов иттербия-171 с вероятностью успеха 99%. Они демонстрируют возможности своей системы, реализуя метод, известный как адаптивное управление в реальном времени, в котором классический компьютер используется для управления кубитами иттербия на основе результатов измерений.
«Алгоритмы, основанные на кубитах, которые управляются извне классическими компьютерами, начали набирать обороты в квантовой информатике», — сказал Хьюи. «Сообщество обнаруживает, что измерение и управление кубитами на промежуточных этапах вычислений может в некоторых сценариях создавать крупномасштабное квантовое поведение гораздо эффективнее. Итак, заглядывая в будущее, наша группа с нетерпением ждет возможности использовать нашу иттербиевую платформу для изучения этих новых разработок."
