MIT Yeni Dolaşma Kontrolüyle Kuantum Hesaplamayı Nasıl Yeniden Tanımlıyor?

Birbirine bağlı birçok parçadan oluşan büyük bir kuantum sisteminde, dolanıklığı, belirli bir kübit alt sistemi (oklu küreler olarak temsil edilir) ile daha büyük sistemin geri kalanı arasında paylaşılan kuantum bilgisi miktarı olarak düşünebiliriz. Bir kuantum sistemi içindeki dolaşıklık, burada gösterildiği gibi, bu paylaşılan bilginin alt sistemlerin geometrisiyle nasıl ölçeklendiğine bağlı olarak alan kanunu veya hacim kanunu olarak kategorize edilebilir.

Bu ilerleme, ihtiyaç duyulan temel kaynağı karakterize etmenin bir yolunu sunuyor

Dolaşıklık, atom ölçeğindeki parçacıklar gibi kuantum nesneleri arasındaki bir korelasyon biçimidir. Bu eşsiz kuantum olgusu, klasik fizik yasalarıyla açıklanamaz, ancak kuantum sistemlerinin makroskobik davranışını açıklayan özelliklerden biridir.

Dolaşıklık, kuantum sistemlerinin çalışma şeklinin merkezinde yer aldığından, bunu daha iyi anlamak, bilim adamlarına bilginin bu tür sistemlerde nasıl verimli bir şekilde depolandığı ve işlendiği konusunda daha derin bir fikir verebilir.

Qubit’ler veya kuantum bitleri, kuantum bilgisayarın yapı taşlarıdır. Ancak çok kübitli sistemlerde bırakın araştırmayı, belirli dolaşmış durumları oluşturmak bile son derece zordur. Ayrıca çeşitli karmaşık durumlar da vardır ve bunları birbirinden ayırmak zor olabilir.

Şimdi, MİT Araştırmacılar, belirli bir tür davranış sergileyen bir dizi süper iletken kubit arasında verimli bir şekilde dolaşıklık oluşturmak için bir teknik gösterdiler.

Geçtiğimiz yıllarda Mühendislik Kuantum Sistemleri araştırmacıları (EQuS) grubu, süper iletken devrelerden oluşan bir kuantum işlemciyi hassas bir şekilde kontrol etmek için mikrodalga teknolojisini kullanan teknikler geliştirdi. Bu kontrol tekniklerine ek olarak, bu çalışmada tanıtılan yöntemler, işlemcinin verimli bir şekilde yüksek derecede dolaşıklık durumları oluşturmasına ve bu durumları bir dolaşıklık türünden diğerine (kuantum hızlandırmayı destekleme olasılığı daha yüksek olan türler ve olmayanlar dahil) kaydırmasına olanak tanır.

“Burada, ortaya çıkan kuantum işlemcileri fizik anlayışımızı ilerletmek için bir araç olarak kullanabileceğimizi gösteriyoruz. Bu deneyde yaptığımız her şey hâlâ klasik bir bilgisayarda simüle edilebilecek bir ölçekte olsa da, bu teknolojiyi ve metodolojiyi klasik hesaplamanın ötesine ölçeklendirmek için iyi bir yol haritamız var” diyor Amir H. Karamlou ’18, MEng ‘ 18, PhD ’23, makalenin baş yazarı.

Kıdemli yazar, Henry Ellis Warren elektrik mühendisliği, bilgisayar bilimi ve fizik profesörü, Kuantum Mühendisliği Merkezi direktörü, EQuS grubunun lideri ve Elektronik Araştırma Laboratuvarı müdür yardımcısı William D. Oliver’dır. Karamlou ve Oliver’a Araştırma Bilimcisi Jeff Grover, doktora sonrası araştırmacı Ilan Rosen ve MIT’nin, MIT Lincoln Laboratuvarı’nın, Wellesley Koleji’nin ve Maryland Üniversitesi’nin Elektrik Mühendisliği, Bilgisayar Bilimleri ve Fizik bölümlerinden diğer kişiler katılıyor.

Dolaşmanın Değerlendirilmesi

Birbirine bağlı çok sayıda kübit içeren büyük bir kuantum sisteminde, dolaşıklığı, belirli bir kübit alt sistemi ile daha büyük sistemin geri kalanı arasında paylaşılan kuantum bilgisi miktarı olarak düşünebiliriz.

Bir kuantum sistemi içindeki dolaşıklık, bu paylaşılan bilginin alt sistemlerin geometrisiyle nasıl ölçeklendiğine bağlı olarak alan kanunu veya hacim kanunu olarak kategorize edilebilir. Hacim kanunu dolaşıklığında, bir kübit alt sistemi ile sistemin geri kalanı arasındaki dolaşıklık miktarı, alt sistemin toplam boyutuyla orantılı olarak artar.

Öte yandan, alan yasası dolaşıklığı, kübitlerden oluşan bir alt sistem ile daha büyük sistem arasında kaç tane paylaşılan bağlantının mevcut olduğuna bağlıdır. Alt sistem genişledikçe dolaşıklığın miktarı yalnızca alt sistem ile daha büyük sistem arasındaki sınır boyunca artar.

Teorik olarak hacim kanunu dolaşıklığının oluşumu kuantum hesaplamayı bu kadar güçlü kılan şeyle ilgilidir.

Oliver, “Dolaşıklığın kuantum algoritmalarında oynadığı rolü henüz tam olarak soyutlamamış olsak da, hacim yasası dolaşıklığı oluşturmanın kuantum avantajını gerçekleştirmenin temel bileşeni olduğunu biliyoruz” diyor.

Bununla birlikte, hacim kanunu dolaşıklığı aynı zamanda alan kanunu dolaşıklığından daha karmaşıktır ve klasik bir bilgisayar kullanılarak simüle edilmesi pratik olarak engelleyicidir.

“Kuantum sisteminizin karmaşıklığı arttıkça onu geleneksel bilgisayarlarla simüle etmek giderek zorlaşıyor. Örneğin 80 kübitlik bir sistemi tam olarak takip etmeye çalışıyorsam, insanlık tarihi boyunca depoladığımızdan daha fazla bilgiyi depolamam gerekir,” diyor Karamlou.

Araştırmacılar, her iki dolaşıklık türünü de verimli bir şekilde oluşturmalarına ve araştırmalarına olanak tanıyan bir kuantum işlemci ve kontrol protokolü oluşturdular.

İşlemcileri yapay atomların mühendisliğinde kullanılan süper iletken devrelerden oluşuyor. Yapay atomlar, yüksek hızlarda kontrol edilebilen ve okunabilen kübitler olarak kullanılıyor. kesinlik Mikrodalga sinyallerini kullanarak.

Bu deney için kullanılan cihaz, iki boyutlu bir ızgarada düzenlenmiş 16 kübit içeriyordu. Araştırmacılar işlemciyi 16 kubitin tamamının aynı geçiş frekansına sahip olmasını sağlayacak şekilde dikkatlice ayarladılar. Daha sonra tüm kübitlere aynı anda ek bir mikrodalga sürücüsü uyguladılar.

Eğer bu mikrodalga sürücüsü kübitlerle aynı frekansa sahipse, hacim kanunu dolaşıklığı sergileyen kuantum durumları üretiyor. Bununla birlikte, mikrodalga frekansı arttıkça veya azaldıkça kübitler daha az hacim kanunu dolaşıklığı sergiliyor ve sonunda alan kanunu ölçeklendirmesini giderek daha fazla takip eden dolaşık durumlara geçiyor.

Dikkatli Kontrol

“Deneyimiz, süper iletken kuantum işlemcilerin yeteneklerinin bir gösterisidir. Bir deneyde, işlemciyi hem farklı dolaşma yapılarına sahip durumları verimli bir şekilde hazırlamamızı sağlayan bir analog simülasyon cihazı olarak hem de ortaya çıkan dolaşma ölçeklendirmesini ölçmek için gereken bir dijital hesaplama cihazı olarak çalıştırdık” diyor Rosen.

Bu kontrolü sağlamak için ekip, kuantum işlemci etrafındaki altyapıyı dikkatli bir şekilde oluşturmak için yıllarca çalıştı.

Araştırmacılar, hacim kanunundan alan kanunu dolaşıklığına geçişi göstererek, teorik çalışmaların öngördüğünü deneysel olarak doğruladılar. Daha da önemlisi, bu yöntem genel bir kuantum işlemcideki dolaşıklığın alan kanunu mu yoksa hacim kanunu mu olduğunu belirlemek için kullanılabilir.

“MIT deneyi, süper iletken kübitlerin kullanıldığı iki boyutlu kuantum simülasyonlarında alan kanunu ve hacim kanunu dolaşıklığı arasındaki ayrımın altını çiziyor. Bu, Hamilton tomografisinin tuzaklanmış iyonlarla dolaştırılması konusundaki çalışmalarımızı güzel bir şekilde tamamlıyor.

Araştırmada yer almayan Google’dan Pedram Roushan, “Büyük kuantum sistemlerinde dolaşıklığın ölçülmesi, klasik bilgisayarlar için zorlu bir görevdir ancak kuantum simülasyonunun nerede yardımcı olabileceğine dair iyi bir örnek” diyor. “Karamlou ve meslektaşları, 2 boyutlu süper iletken kubit dizisini kullanarak, çeşitli boyutlardaki çeşitli alt sistemlerin dolaşıklık entropisini ölçebildiler. Hacim yasası ve alan yasasının entropiye olan katkılarını ölçerek sistemin kuantum durum enerjisi ayarlandığında geçiş davranışını ortaya koyuyorlar. Kuantum simülatörlerinin sunabileceği benzersiz içgörüleri güçlü bir şekilde ortaya koyuyor.”

Gelecekte bilim insanları, mevcut analitik yöntemler kullanılarak incelenemeyecek kadar karmaşık olan ve dünyanın en güçlü süper bilgisayarlarında bile simüle edilmesi pratik olarak yasak olan karmaşık kuantum sistemlerinin termodinamik davranışını incelemek için bu tekniği kullanabilirler.

Karamlou, “Bu çalışmada yaptığımız deneyler, daha büyük ölçekli kuantum sistemlerini karakterize etmek veya kıyaslamak için kullanılabilir ve ayrıca bu çok cisimli sistemlerdeki dolaşıklığın doğası hakkında daha fazla şey öğrenebiliriz” diyor.

Referans: Amir H. Karamlou, Ilan T. Rosen, Sarah E. Muschinske, Cora N. Barrett, Agustin Di Paolo, Leon Ding, Patrick M. Harrington, Max tarafından yazılan “2 boyutlu sert çekirdekli Bose-Hubbard kafesinde dolaşıklığın araştırılması” Hays, Rabindra Das, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Meghan Schuldt, Kyle Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson, Yariv Yanay, Jeffrey A. Grover ve William D. Oliver, 24 Nisan 2024 , Doğa.

Araştırmanın diğer ortak yazarları arasında Sarah E. Muschinske, Cora N. Barrett, Agustin Di Paolo, Leon Ding, Patrick M. Harrington, Max Hays, Rabindra Das, David K. Kim, Bethany M. Niedzielski, Meghan Schuldt, Kyle yer alıyor. Serniak, Mollie E. Schwartz, Jonilyn L. Yoder, Simon Gustavsson ve Yariv Yanay.

Bu araştırma kısmen ABD Enerji Bakanlığı, ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, ABD Ordusu Araştırma Ofisi, Ulusal Bilim Vakfı, STC Entegre Kuantum Malzemeleri Merkezi, Wellesley College Samuel ve Hilda Levitt Bursu tarafından finanse edilmektedir. NASAve Oak Ridge Bilim ve Eğitim Enstitüsü.