استفاده مناسب از نویز برای محاسبات کوانتومی

خلاصه:

محققان موسسه نیلز بور با استفاده از نویز برای افزایش عملکرد کیوبیت، یک رویکرد پیشگامانه برای محاسبات کوانتومی ایجاد کرده اند. به جای تلاش برای حذف نویز، تیم از نظارت بر نویز به طور آنی و کنترل تطبیقی برای مقابله با نوسانات محیطی استفاده کرد. با ادغام یک کیوبیتِ اسپینیِ singlet-triplet با فناوری آرایه گیت قابل برنامه‌ریزی میدانی (FPGA) و یادگیری ماشین، آنها به افزایش ۷۰۰ درصدی عملکرد کیوبیت دست یافتند. این استراتژی بر پایش مداوم نویز و تنظیم سیستم کیوبیت بر این اساس متکی است. یافته‌ها نقش فیدبک را در بهبود پایداری و عملکرد دستگاه‌های کوانتومی متاثر از نویز برجسته می‌کنند. این همکاری میان رشته‌ای نشان‌دهنده گامی مهم به سوی توسعه رایانه‌های کوانتومی قوی‌تر و پایدارتر است.

توضیحات تکمیلی:

دانشمندان موسسه نیلز بور (NBI) در دانشگاه کپنهاگ رویکرد جدیدی را برای مهار نویز برای پردازش اطلاعات کوانتومی ایجاد کرده‌اند که عملکرد کیوبیت‌ها - واحدهای اساسی کامپیوترهای کوانتومی - را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. محققان از نظارت مداوم نویز به صورت آنی و کنترل تطبیقی برای مقابله با اثرات مضر نوسانات محیطی بر روی سیستم‌های کوانتومی استفاده کردند. با ادغام یک کیوبیتِ اسپینیِ singlet-triplet با فناوری آرایه گییت  قابل برنامه‌ریزی میدانی (FPGA) و الگوریتم‌های یادگیری ماشین، آن‌ها به افزایش ۷۰۰ درصدی عملکرد کیوبیت دست یافتند.

به طور معمول، به حداقل رساندن نویز در سیستم های کوانتومی چالش برانگیز بوده است، زیرا حتی تغییرات جزئی در محیط می تواند اثرات ظریف کوانتومی را مختل کند. با این حال، تیم NBI با استفاده فعالانه از نویز و تنظیم پویا سیستم کیوبیت برای انطباق با تغییرات محیطی، استراتژی متفاوتی را پیشنهاد کرد. اندازه‌گیری‌های آنی با استفاده از فناوری FPGA امکان تحلیل و پاسخ سریع در طول آزمایش‌ها را فراهم می‌کند و این رویکرد را برای برنامه‌های محاسباتی کوانتومی امکان‌پذیر می‌سازد.

در محاسبات کوانتومی، کیوبیت با استفاده از خواص کوانتومی برای ذخیره و پردازش اطلاعات، از بیت کلاسیک پیشی می‌گیرد. برخلاف بیت‌های کلاسیک که به دو حالت (0 یا 1) محدود می‌شوند، کیوبیت‌ها می‌توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند و به طور تصاعدی ظرفیت اطلاعات را افزایش دهند. ویژگی‌های کلیدی کوانتومی عبارتند از اسپین و درهم تنیدگی، جایی که حالت‌های ذرات به هم متصل می‌شوند و نمی‌توان آنها را به طور مستقل توصیف کرد.

محققان NBI از یک کیوبیتِ  singlet-triplet دو الکترونی استفاده کردند که در یک نقطه کوانتومی دوتایی (double quantum dot) آرسنید گالیم اجرا شد. عملکرد کیوبیت مستعد اختلالات ناشی از نویز مغناطیسی و الکتریکی بود که به طور مداوم با استفاده از یک ریزپردازنده FPGA کنترل می شد. با تنظیم دینامیکی گرادیان میدان مغناطیسی و detune کردن کیوبیت، محققان همدوسی عملیات کوانتومی را گسترش دادند و اثرات نویز را کاهش دادند.

این تلاش میان رشته ای شامل همکاری بین گروه های تحقیقاتی در NBI، دانشگاه پردو، دانشگاه علم و فناوری نروژ، و شرکت های QDevil و ماشین های کوانتومی بود. این مطالعه به عنوان نقطه عطفی در توسعه رایانه های کوانتومی عمل می کند و پتانسیل مدیریت فعال نویز را برای بهبود عملکرد کیوبیت نشان می دهد. در حالی که نیاز به دستیابی به نقاط عطف بیشتر است، این رویکرد یک جهت امیدوارکننده برای پیشرفت فناوری محاسبات کوانتومی ارائه می دهد.

منبع

Fabrizio Berritta et al, Real-time two-axis control of a spin qubit, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-45857-0