I slutet av förra året tillkännagav teknikjätten IBM vad som kan låta som en milstolpe inom kvantberäkning: det första chippet någonsin, kallat Condor, med mer än 1,000 100 kvantbitar, eller qubits. Med tanke på att detta var knappt två år efter att företaget presenterade Eagle, det första chippet med mer än XNUMX qubits, såg det ut som om fältet tävlade framåt. Att tillverka kvantdatorer som kan lösa användbara problem utanför räckvidden för även de mäktigaste av dagens klassiska superdatorer kräver att de skalas upp ännu mer - till kanske många tiotals eller hundratusentals qubits. Men det är väl bara en fråga om ingenjörskonst, eller hur?

Inte nödvändigtvis. Utmaningarna med att skala upp är så stora att vissa forskare tror att det kommer att kräva en helt annan hårdvara än den mikroelektronik som används av IBM och Google. Qubits i Condor och i Googles Sycamore-chip är gjorda av öglor av supraledande material. Dessa supraledande qubits har hittills varit haren i kapplöpningen mot fullskalig kvantberäkning. Men nu kommer en sköldpadda bakifrån: qubits gjorda av enskilda atomer.

De senaste framstegen har förvandlat dessa "neutral-atom qubits" från utomstående till ledande utmanare.

"De senaste två eller tre åren har sett snabbare framsteg än någon tidigare sådan period", sa fysikern Mark Saffman från University of Wisconsin, Madison, som räknade till minst fem företag som tävlade för att kommersialisera neutral-atom kvantdatorer.

Liksom bitarna i vanliga datorer kodar qubits binär information - 1:or och 0:or. Men medan en bit alltid är i det ena eller det andra tillståndet, kan informationen i en qubit lämnas obestämd, i en så kallad "superposition" som ger vikt åt båda möjligheterna. För att utföra en beräkning länkas qubits med hjälp av fenomenet som kallas kvantentanglement, vilket gör deras möjliga tillstånd beroende av varandra. En speciell kvantalgoritm kan kräva en följd av förvecklingar mellan olika uppsättningar av kvantbitar, och svaret läses upp i slutet av beräkningen när en mätning görs, vilket kollapsar varje överlagring till en bestämd 1 eller 0.

Tanken på att använda kvanttillstånden hos neutrala atomer för att koda information på detta sätt var föreslagen i början av 2000-talet av Harvard-fysikern Mikhail Lukin och kollegor, och också av en grupp som leds av Ivan Deutsch vid University of New Mexico. Under lång tid var det bredare forskarsamhället överens om att neutral-atom kvantberäkning var en utmärkt idé i princip, sa Lukin, men att "det bara inte fungerar" i praktiken.

"Men 20 år senare har de andra metoderna inte stängt affären," sa Saffman. "Och färdigheten och teknikerna som behövs för att få neutrala atomer att fungera har gradvis utvecklats till en punkt där de ser mycket lovande ut."

Lukins labb vid Harvard har varit bland dem som leder vägen. I december, han och hans kollegor rapporterade att de skapade programmerbara kvantkretsar med hundratals neutrala atom qubits och hade utfört kvantberäkningar och felkorrigering med dem. Och denna månad, ett team på California Institute of Technology rapporterade att de gjorde en uppsättning av 6,100 XNUMX atomära qubits. Sådana resultat vinner allt fler konvertiter till detta tillvägagångssätt.

"För tio år sedan skulle jag inte ha inkluderat dessa [neutral-atom] metoder om jag säkrade satsningar på framtiden för kvantberäkning," sa Andrew Steane, en kvantinformationsteoretiker vid University of Oxford. "Det skulle ha varit ett misstag."

Slaget vid Qubits

En nyckelfråga i tävlingen mellan qubit-typer är hur länge varje typ av qubit kan bibehålla sin överlagring innan den ändras av någon slumpmässig (till exempel termisk) fluktuation. För supraledande qubits som IBMs och Googles är denna "koherenstid" i bästa fall runt en millisekund. Alla steg i en kvantberäkning måste ske inom den tidsramen.

En fördel med att koda information i enskilda atomers tillstånd är att deras koherenstider vanligtvis är mycket längre. Dessutom, till skillnad från supraledande kretsar, är atomer av en given typ alla identiska, så skräddarsydda styrsystem behövs inte för att mata in och manipulera subtilt olika kvanttillstånd.

Och medan ledningarna som används för att koppla ihop supraledande qubits till kvantkretsar kan bli fruktansvärt komplicerade - mer så när systemet skalas upp - behövs ingen ledning när det gäller atomer. All intrassling görs med laserljus.

Denna förmån utgjorde initialt en utmaning. Det finns en välutvecklad teknik för att skapa komplicerade mikroelektroniska kretsar och ledningar, och en trolig anledning till att IBM och Google från början investerade i supraledande qubits är inte för att dessa uppenbarligen var de bästa utan för att de krävde den typ av kretsar som sådana företag är vana vid, sa Stuart Adams, en fysiker vid Durham University i Storbritannien som arbetar med neutral-atom quantum computing. "Laserbaserad atomoptik såg helt obekant ut för dem. All ingenjörskonst är helt annorlunda.”

Qubits gjorda av elektriskt laddade atomer - kända som joner - kan också kontrolleras med ljus, och joner ansågs länge vara bättre qubit-kandidater än neutrala atomer. På grund av sin laddning är joner relativt lätta att fånga i elektriska fält. Forskare har skapat jonfällor genom att suspendera jonerna i en liten vakuumhålighet vid ultralåga temperaturer (för att undvika termisk jiggling) medan laserstrålar växlar dem mellan olika energitillstånd för att manipulera informationen. Ion-trap kvantdatorer med dussintals qubits har nu demonstrerats och flera startups utvecklar teknologin för kommersialisering. "Hittills har systemet med högsta prestanda i termer av trohet, kontroll och koherens varit fångade joner," sa Saffman.

Att fånga neutrala atomer är svårare eftersom det inte finns någon laddning att hålla fast vid. Istället är atomerna immobiliserade inom fält av intensivt ljus som skapas av laserstrålar, så kallade optiska pincett. Atomerna föredrar vanligtvis att sitta där ljusfältet är som mest intensivt.

Och det finns ett problem med joner: De har alla en elektrisk laddning av samma tecken. Det betyder att qubitarna stöter bort varandra. Att blockera många av dem i samma lilla utrymme blir svårare ju fler joner det finns. Med neutrala atomer finns det ingen sådan spänning. Detta, säger forskare, gör qubits med neutrala atomer mycket mer skalbara.

Dessutom är fångade joner ordnade i en rad (eller nyligen en looping "travet”). Denna konfiguration gör det svårt att trasssla in en jon-qubit med en annan, säg 20 platser längs raden. "Jonfällor är i sig endimensionella," sa Adams. "Du måste ordna dem i en rad, och det är väldigt svårt att se hur du kommer upp till tusen qubits på det sättet."

Neutralatommatriser kan vara ett tvådimensionellt rutnät, vilket är mycket lättare att skala upp. "Du kan lägga mycket i samma system, och de interagerar inte när du inte vill att de ska göra det," sa Saffman. Hans grupp och andra har fångat över 1,000 XNUMX neutrala atomer på detta sätt. "Vi tror att vi kan packa tiotals eller till och med hundratusentals i en enhet i centimeterskala," sa han.

Faktum är att i sitt senaste arbete skapade teamet på Caltech en optisk pincettuppsättning av cirka 6,100 12.6 neutrala cesiumatomer, även om de ännu inte har utfört några kvantberäkningar med dem. Dessa qubits hade också koherenstider på hela XNUMX sekunder, ett rekord hittills för denna qubit-typ.

Rydbergsblockaden

För att två eller flera qubits ska bli intrasslade måste de interagera med varandra. Neutrala atomer "känner" varandras närvaro via så kallade van der Waals-krafter, som uppstår genom hur en atom reagerar på fluktuationer i elektronmolnet i en annan atom i närheten. Men dessa svaga krafter känns bara när atomerna är extremt nära varandra. Att manipulera normala atomer till den precision som krävs med hjälp av ljusfält kan helt enkelt inte göras.

Som Lukin och hans kollegor påpekade i sitt ursprungliga förslag redan 2000, kan interaktionsavståndet ökas dramatiskt om vi ökar storleken på själva atomerna. Ju mer energi en elektron har, desto längre tenderar den att ströva från atomkärnan. Om en laser används för att pumpa upp en elektron till ett energitillstånd som är mycket större än de som vanligtvis finns i atomer – kallat ett Rydbergstillstånd efter den svenske fysikern Johannes Rydberg, som på 1880-talet studerade hur atomer avger ljus vid diskreta våglängder – elektronen kan ströva tusentals gånger längre ut från kärnan än vanligt.

Denna ökning i storlek gör det möjligt för två atomer som hålls flera mikrometer isär - perfekt genomförbart i optiska fällor - att interagera.

För att implementera en kvantalgoritm kodar forskarna först kvantinformation i ett par atomenerginivåer, med hjälp av lasrar för att växla elektroner mellan nivåerna. De trasslar sedan in atomernas tillstånd genom att slå på Rydbergs interaktioner mellan dem. En given atom kan exciteras till ett Rydberg-tillstånd eller inte, beroende på vilken av de två energinivåerna dess elektron befinner sig i - bara en av dessa sitter på rätt energi för att resonera med excitationslaserns frekvens. Och om atomen för närvarande interagerar med en annan, skiftar denna excitationsfrekvens något så att elektronen inte kommer att resonera med ljuset och inte kommer att kunna göra hoppet. Detta betyder att endast den ena eller den andra av ett par interagerande atomer kan upprätthålla ett Rydbergstillstånd när som helst; deras kvanttillstånd är korrelerade - eller med andra ord intrasslade. Denna så kallade Rydbergsblockad, först föreslagen av Lukin och kollegor 2001 som ett sätt att trassla in Rydberg-atomens qubits, är en allt-eller-inget-effekt: Antingen finns det en Rydberg-blockad eller så finns det inte. "Rydberg-blockaden gör interaktioner mellan atomer digitala," sa Lukin.

I slutet av beräkningen läser lasrar ut atomernas tillstånd: Om en atom är i det tillstånd som är resonant med belysningen, sprids ljuset, men om det är i det andra tillståndet finns det ingen spridning.

2004, ett team vid University of Connecticut demonstreras en Rydberg-blockad mellan rubidiumatomer, fångade och kylda till bara 100 mikrokelvin över absolut noll. De kylde atomerna genom att använda lasrar för att "suga ut" atomernas värmeenergi. Tillvägagångssättet innebär att neutrala atomer, till skillnad från supraledande qubits, inte kräver någon kryogen kylning och inga besvärliga köldmedier. Dessa system kan därför göras mycket kompakta. "Apparaten som helhet är i rumstemperatur," sa Saffman. "En centimeter från dessa superkalla atomer har du ett rumstemperaturfönster."

2010 Saffman och hans medarbetare rapporterade den första logiska grinden - ett grundläggande element i datorer, där en eller flera binära insignaler genererar en viss binär utsignal - gjord av två atomer som använder Rydberg-blockaden. Sedan, avgörande, 2016, var Lukins team och forskargrupper i Frankrike och Sydkorea alla oberoende av räknat ut hur man ladda många neutrala atomer in i mängder av optiska fällor och flytta runt dem efter behag. "Denna innovation gav nytt liv till fältet," sa Stephan Dürr från Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, Tyskland, som använder Rydberg-atomer för experiment i ljusbaserad kvantinformationsbehandling.

Mycket av arbetet hittills använder rubidium- och cesiumatomer, men fysikern Jeff Thompson vid Princeton University föredrar att koda informationen i kärnspinntillstånden hos metallatomer som strontium och ytterbium, som har ännu längre koherenstider. I oktober förra året, Thompson och kollegor rapporterade två-qubit logiska grindar gjorda av dessa system.

Och Rydbergsblockader behöver inte vara mellan ensamma atomer. Förra sommaren Adams och hans medarbetare visade att de kunde skapa en Rydberg-blockad mellan en atom och en instängd molekyl, som de gjorde på konstgjord väg genom att använda en optisk pincett för att dra en cesiumatom bredvid en rubidiumatom. Fördelen med hybrid atom-molekylsystem är att atomer och molekyler har väldigt olika energier, vilket skulle kunna göra det lättare att manipulera en utan att påverka andra. Dessutom kan molekylära qubits ha mycket långa koherenstider. Adams betonar att sådana hybridsystem ligger minst 10 år efter system med alla atomer, och att två sådana qubitar ännu inte har sammantrasslats. "Hybridsystem är riktigt svåra," sa Thompson, "men vi kommer förmodligen att tvingas göra dem någon gång."

High-Fidelity Qubits

Ingen qubit är perfekt: Alla kan orsaka fel. Och om dessa förblir oupptäckta och okorrigerade, förvränger de resultatet av beräkningen.

Men ett stort hinder för all kvantberäkning är att fel inte kan identifieras och korrigeras på det sätt de är för klassiska datorer, där en algoritm helt enkelt håller reda på vilka tillstånd bitarna befinner sig i genom att göra kopior. Nyckeln till kvantberäkning är att qubitarnas tillstånd lämnas obestämda tills det slutliga resultatet läses ut. Om du försöker mäta dessa tillstånd före den punkten, avslutar du beräkningen. Hur kan då qubits skyddas från fel som vi inte ens kan övervaka?

Ett svar är att sprida information över många fysiska qubits - som utgör en enda "logisk qubit" - så att ett fel i en av dem inte korrumperar informationen som de tillsammans kodar. Detta blir bara praktiskt om antalet fysiska qubits som behövs för varje logisk qubit inte är för stort. Den omkostnaden beror delvis på vilken felkorrigerande algoritm som används.

Felkorrigerade logiska qubits har visats med supraledande och fångade-jon-qubits, men tills nyligen har det inte varit klart om de kan göras från neutrala atomer. Det ändrades i december, när Harvard-teamet avslöjade arrayer av flera hundra fångade rubidiumatomer och körde algoritmer på 48 logiska qubits, var och en gjord av sju eller åtta fysiska atomer. Forskarna använde systemet för att utföra en enkel logisk operation som kallas en kontrollerad NOT-grind, där en qubits 1- och 0-tillstånd vänds eller lämnas oförändrade beroende på tillståndet för en andra "kontroll"-qubit. För att utföra beräkningarna flyttade forskarna atomerna mellan tre distinkta regioner i fångstkammaren: en rad atomer, en interaktionsregion (eller "portzon") där specifika atomer släpades och intrasslades med hjälp av Rydberg-blockaden, och en avläsningszon . Allt har gjorts möjligt, sa Adams, eftersom "Rydberg-systemet erbjuder dig all denna förmåga att blanda runt qubits och bestämma vem som interagerar med vem, vilket ger dig en flexibilitet som supraledande qubits inte har."

Harvard-teamet demonstrerade felkorrigeringstekniker för några enkla logiska qubit-algoritmer, även om de för de största, med 48 logiska qubits, bara uppnådde feldetektering. Enligt Thompson visade de senare experimenten att "de i första hand kan avvisa mätresultat med fel, och därför identifiera en delmängd av utfall med lägre fel." Detta tillvägagångssätt kallas efterval, och även om det kan spela en roll i kvantfelskorrigering, löser det inte i sig problemet.

Rydberg-atomer kan lämpa sig för nya felkorrigerande koder. Den som används i Harvard-arbetet, kallad ytkoden, "är väldigt populär men också väldigt ineffektiv", sa Saffman; det tenderar att kräva många fysiska qubits för att göra en logisk qubit. Andra, mer effektiva föreslagna felkorrigerande koder kräver interaktioner med längre räckvidd mellan qubits, inte bara parningar av närmaste granne. Utövare av kvantberäkningar med neutral atom tror att Rydberg-interaktioner på lång räckvidd borde klara uppgiften. "Jag är extremt optimistisk att experiment under de kommande två till tre åren kommer att visa oss att omkostnader inte behöver vara så illa som folk trodde," sa Lukin.

Även om det fortfarande finns mer att göra, anser Steane att Harvard-arbetet är "en stegvis förändring i den grad i vilken felkorrigeringsprotokoll har realiserats i laboratoriet."

Spinning Off

Framsteg som dessa har Rydberg-atom qubits att dra även med sina konkurrenter. "Kombinationen av högfientliga grindar, det stora antalet qubits, högnoggrannhetsmätningar och flexibla anslutningar gör att vi kan betrakta Rydberg-atom-arrayen som en riktig konkurrent till supraledande och fångade-jon-qubits," sa Steane.

Jämfört med supraledande qubits kommer tekniken till en bråkdel av investeringskostnaden. Harvard-gruppen har ett spinoff-företag som heter QuEra, som redan har kallat en 256-qubit Rydberg kvantprocessor Eagle — en analog "kvantsimulator", som kan köra simuleringar av system av många kvantpartiklar — tillgängligt på molnet i samarbete med Amazons Braket-kvantberäkningsplattform. QuEra arbetar också med att förbättra kvantfelskorrigering.

Saffman gick med i ett företag som heter Böjning, som utvecklar den neutrala optiska plattformen för kvantsensorer och kommunikationer samt kvantberäkningar. "Jag skulle inte bli förvånad om ett av de stora IT-företagen går in i något slags partnerskap med en av dessa spinoffs snart," sa Adams.

"Att göra skalbar felkorrigering med neutral-atom qubits är definitivt möjligt," sa Thompson. "Jag tror att 10,000 XNUMX qubits med neutrala atomer helt klart är möjliga inom några år." Utöver det tror han att praktiska begränsningar av laserkraft och upplösning kommer att krävas modulära konstruktioner där flera distinkta atommatriser är sammanlänkade.

Om det händer, vem vet vad som kommer ut av det? "Vi vet inte ens ännu vad vi kan göra med kvantberäkning," sa Lukin. "Jag hoppas verkligen att dessa nya framsteg kommer att hjälpa oss att svara på dessa frågor."