Een programma van het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) beweert een grote doorbraak te hebben bereikt op het gebied van quantum computing. Het project Optimization of Noisy Intermediate Quantum Devices (ONISQ) heeft 's werelds eerste kwantumcircuit met logische kwantumbits (qubits) gecreëerd.
Kwantumcomputing is gebaseerd op een aantal ogenschijnlijk magische of gekke concepten en heeft het potentieel om ons begrip van computers radicaal te veranderen. Door gebruik te maken van kwantumeffecten en relatief complexe wiskundige kennis kan kwantumcomputers de snelheid van informatieverwerking verhogen tot enkele ordes van grootte ten opzichte van klassieke computers, en de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie, biochemie, cryptografie en andere gebieden bevorderen.
Dit is allemaal erg indrukwekkend, maar is gaandeweg op een mislukking uitgelopen, omdat het vrij moeilijk is gebleken om quantum computing voorbij de experimentele fase te krijgen. Een deel van de reden is dat kwantumcomputing een zeer hoog foutenpercentage heeft, wat niet verrassend is omdat de principes van kwantumcomputing gebaseerd zijn op het feit dat, in tegenstelling tot het één-nul-binair getal van klassiek computergebruik, iets een één, een nul, of zowel een één als een nul tegelijk kan zijn.
De truc is om een manier te vinden om deze foutgevoelige of "luidruchtige" processors praktischer te maken door ze te combineren met klassieke systemen. In het geval van DARPA houdt dit in dat we ons richten op het oplossen van optimalisatieproblemen die zich voordoen in de defensie en de industrie door het ontwikkelen van logische qubits, een abstractie op een hoger niveau die werkt als een kwantumalgoritme en gebaseerd is op Rydberg-qubits, fysieke componenten die werken als tweestaten-kwantumsystemen.
"Rydberg-qubits hebben het voordeel van uniformiteit van eigenschappen - wat betekent dat elke qubit zich niet te onderscheiden van de volgende gedraagt", zegt Dr. Mukund Vengalattore, ONISQ-programmamanager bij DARPA's Office of Defense Science. “Bij andere platforms, zoals supergeleidende qubits, is dat niet het geval, waarbij elke qubit uniek is en dus niet uitwisselbaar.”
“Dankzij de homogeniteit van Rydberg-qubits kunnen ze snel worden geschaald en kunnen ze ook gemakkelijk worden gemanipuleerd en verplaatst door lasers op kwantumcircuits. Dit overwint de huidige foutgevoelige benadering van het uitvoeren van qubit-bewerkingen door ze sequentieel te verbinden, waardoor fouten door de hele chip worden verspreid. Het is nu mogelijk om een dynamische herconfiguratie van qubits op kwantumchips voor te stellen die niet langer beperkt is tot het sequentieel uitvoeren van een kwantumcircuit. We kunnen nu laserpincetten gebruiken om een hele verzameling qubits (allemaal qubits) van de ene plaats in het circuit naar de andere op het circuit, voer een bewerking uit en plaats ze vervolgens terug op hun oorspronkelijke locatie. "Dynamisch herconfigureerbare en verplaatsbare Redburg-logische qubits openen geheel nieuwe concepten en paradigma's voor het ontwerpen en bouwen van schaalbare quantum computing-processors."
Momenteel heeft DARPA 48 logische qubits met elkaar verbonden, maar er zijn er nog veel meer nodig om het complexiteitsniveau te bereiken dat nodig is voor praktische kwantumcomputers. Dit zou echter veel minder zijn dan de miljoenen qubits die oorspronkelijk nodig waren voor een fouttolerante kwantumcomputer.
"Als iemand drie jaar geleden bij de start van het ONISQ-programma had voorspeld dat het neutrale Rydberg-atoom (een opgewonden atoom met een of meer elektronen met een zeer hoog hoofdkwantumgetal) als een logische qubit zou kunnen dienen, zou niemand het hebben geloofd", zegt dr. Guido Zuccarello, technisch adviseur van DARPA.
Dit is DARPA's manier om te wedden op het potentieel van deze minder bestudeerde qubits en de meer bestudeerde ionische en supergeleidende circuits. Als verkennend programma geeft ONISQ onderzoekers de ruimte om unieke nieuwe toepassingen te verkennen die verder gaan dan een optimalisatiefocus. Daarom kon het door Harvard geleide team meer van het potentieel van deze Redburg-qubits benutten en deze omzetten in logische qubits, wat een zeer belangrijke ontdekking is.