Een grote sprong voorwaarts op het gebied van kwantumcomputing wordt bereikt met het nieuwe platform van Harvard, dat in staat is tot dynamische herconfiguratie en lage foutpercentages laat zien in verstrengelde poorten van twee qubits. De doorbraak, benadrukt in een artikel dat onlangs in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, markeert aanzienlijke vooruitgang bij het overwinnen van de uitdagingen van kwantumfoutcorrectie, waardoor de technologie van Harvard op één lijn komt met andere toonaangevende kwantumcomputermethoden. Het werk, uitgevoerd in samenwerking met MIT en anderen, markeert een belangrijke stap in de richting van schaalbare, foutgecorrigeerde kwantumcomputing.
De door het Harvard-team ontwikkelde foutverminderende methode pakt een aanzienlijk obstakel aan voor het opschalen van de technologie.
Kwantumcomputertechnologie heeft het potentieel voor ongekende snelheid en efficiëntie, met mogelijkheden die zelfs de meest geavanceerde supercomputers van vandaag ruimschoots overtreffen. Deze innovatieve technologie is echter nog niet op grote schaal gepromoot of gecommercialiseerd, voornamelijk vanwege de inherente beperkingen van foutcorrectie. Kwantumcomputers kunnen, in tegenstelling tot klassieke computers, geen fouten corrigeren door herhaaldelijk gecodeerde gegevens te kopiëren. Wetenschappers moeten een andere manier vinden.
Nu demonstreert een nieuw artikel in Nature het potentieel van het kwantumcomputerplatform van Harvard University om het al lang bestaande probleem van kwantumfoutcorrectie op te lossen.
Het Harvard-team wordt geleid door kwantumoptica-expert Mikhail Lukin, hoogleraar natuurkunde aan de Joshua en Beth Friedman Universiteit en mededirecteur van het Harvard Quantum Initiative. Het werk dat in Nature wordt gerapporteerd, was een samenwerking tussen Harvard University, MIT en het in Boston gevestigde bedrijf QuEra Computing. De onderzoeksgroep van Markus Greiner, George Vasmer Leverett hoogleraar natuurkunde, was ook bij het werk betrokken.
Na een aantal jaren werken werd het Harvard-platform gebouwd op een reeks zeer koude, door laser gevangen rubidiumatomen. Elk atoom is als een bit (in de kwantumwereld een ‘qubit’ genoemd) en kan extreem snelle berekeningen uitvoeren.
De belangrijkste innovatie van het team is het configureren van hun ‘neutrale atomenarray’, zodat deze tijdens berekeningen dynamisch de lay-out kan veranderen door atomen te verplaatsen en te verbinden (in natuurkundig jargon ‘verstrengeling’ genoemd). Bewerkingen op paren verstrengelde atomen worden logische poorten van twee qubits genoemd, dit zijn eenheden van rekenkracht.
Voor het uitvoeren van een complex algoritme op een kwantumcomputer zijn veel poorten nodig. Deze poortbewerkingen zijn echter notoir foutgevoelig, en de opeenstapeling van fouten kan het algoritme onbruikbaar maken.
In het nieuwe artikel meldt het team dat de twee-qubit-verstrengelingspoort vrijwel perfect presteert, met extreem lage foutenpercentages. Ze demonstreerden voor het eerst het vermogen om atomen te verstrengelen met een foutenpercentage van minder dan 0,5%. In termen van operationele kwaliteit zijn hun technische prestaties daarmee vergelijkbaar met die van andere toonaangevende typen kwantumcomputerplatforms, zoals supergeleidende qubits en gevangen ionenqubits.
Sterke punten en toekomstpotentieel
De aanpak van Harvard heeft echter aanzienlijke voordelen ten opzichte van deze concurrenten vanwege de grote systeemomvang, efficiënte qubit-controle en de mogelijkheid om de atomaire lay-out dynamisch te herconfigureren.
Eerste auteur Simon Evered is een student in de onderzoeksgroep van Lukin aan de Griffin Graduate School of Arts and Sciences van Harvard. Hij zei: "Ons huidige foutenpercentage is zo laag dat als we atomen combineren tot logische qubits (informatie wordt niet-lokaal opgeslagen tussen de samenstellende atomen), de fout van deze met kwantumfouten gecorrigeerde logische qubits lager kan zijn dan die van individuele atomen."
De onderzoeksvoortgang van het Harvard-team werd gerapporteerd in hetzelfde nummer van Nature als andere innovaties onder leiding van voormalig Harvard-student Jeff Thompson (nu aan Princeton University) en voormalig Harvard-postdoc Manuel Endres (nu bij Caltech). Alles bij elkaar leggen deze ontwikkelingen de basis voor kwantumfoutcorrectie-algoritmen en grootschalige kwantumcomputers. Dit alles betekent dat kwantumcomputers op reeksen neutrale atomen veelbelovend zijn.
"Deze bijdragen openen de deur naar buitengewone kansen op het gebied van schaalbare kwantumcomputing en zorgen voor werkelijk opwindende tijden voor de toekomst van het hele vakgebied", aldus Lukin.
ReferentiesSimonJ.Evered, DolevBluvstein, MarcinKalinowski, SepehrEbadi, TomManovitz, HengyunZhou, SophieH.Li, AlexandraA.Geim, ToutT.Wang, "High-fidelity parallelle verstrengelingspoorten op kwantumcomputers met neutrale atomen" door Nishad Maskara, Harry Levine, Giulia Semeghini, Markus Greiner, Vladan Vuletić en Mikhail D. Lukin, 11 oktober 2023, Natuur.
DOI:10.1038/s41586-023-06481-y
Samengestelde bron: ScitechDaily