Ожидается, что квантовые компьютеры произведут революцию в подходах исследователей к решению сложных вычислительных задач. Эти компьютеры разрабатываются для решения основных задач в фундаментальных научных областях, таких как квантовая химия. В своем нынешнем состоянии развития квантовые вычисления очень чувствительны к шуму и разрушительным воздействиям окружающей среды. Это делает квантовые компьютеры «шумными», так как квантовые биты или кубиты теряют информацию, когда они выходят из синхронизации — процесс, известный как декогеренция.
Чтобы устранить ограничения современных квантовых компьютеров, исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) создают модели, демонстрирующие, как работают квантовые компьютеры.
«Когда мы пытаемся напрямую наблюдать за поведением квантовых систем, таких как кубиты, их квантовые состояния будут коллапсировать», — объяснил ученый-компьютерщик PNNL Энг Ли. Ли также является исследователем в Центре квантовой науки и Центре совместного проектирования для Quantum Advantage, двух из пяти национальных научно-исследовательских центров квантовой информации Министерства энергетики. «Чтобы обойти это, мы используем симуляции для изучения кубитов и их взаимодействия с окружающей средой».
Ли и его сотрудники из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Microsoft используют высокоскоростные вычисления для создания симуляторов, имитирующих настоящие квантовые устройства для выполнения сложных квантовых схем. Недавно они объединили два разных вида моделирования для создания квантового симулятора Northwest (NWQ-Sim), который используется для тестирования квантовых алгоритмов.
«Тестирование квантовых алгоритмов на квантовых устройствах происходит медленно и дорого. Кроме того, некоторые алгоритмы слишком продвинуты для современных квантовых устройств», — сказал Ли. «Наши квантовые симуляторы могут помочь нам выйти за пределы ограничений существующих устройств и тестировать алгоритмы для более сложных систем».
Алгоритмы для квантовых компьютеров
Натан Вибе, совместный сотрудник PNNL из Университета Торонто и аффилированный профессор Вашингтонского университета, применяет другой подход к написанию квантового компьютерного кода. Хотя ограниченность возможностями существующих квантовых устройств иногда может раздражать, Вибе рассматривает это препятствие как возможность.
«Квантовые схемы с шумом вызывают ошибки в вычислениях», — сказал Вибе. «Чем больше кубитов требуется для расчета, тем больше он подвержен ошибкам».
Вибе и его сотрудники из Вашингтонского университета разработали новые алгоритмы для исправления этих ошибок в некоторых типах моделирования.
«Эта работа обеспечивает более дешевый и быстрый способ выполнения квантовой коррекции ошибок. Это потенциально приближает нас к демонстрации вычислительно полезного примера квантовой симуляции для квантовой теории поля на ближайшем квантовом оборудовании», — сказал Вибе.
Темная материя встречает квантовые вычисления
В то время как Вибе стремится уменьшить шум, разрабатывая алгоритмы исправления ошибок, физик Бен Лоер и его коллеги обращаются к окружающей среде для управления внешними источниками шума. Лоер использует свой опыт в создании сверхнизких уровней естественной радиоактивности, необходимых для поиска экспериментальных доказательств наличия темной материи во Вселенной, чтобы помочь предотвратить декогерентность кубитов.
«Излучение окружающей среды, такое как гамма-лучи и рентгеновские лучи, существует повсюду», — сказал Лоер. «Поскольку кубиты настолько чувствительны, у нас возникла идея, что это излучение может мешать их квантовым состояниям».
Чтобы проверить это, Лоер, руководитель проекта Брент ВанДевендер и его коллега Джон Оррелл объединились с исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) и Линкольнской лаборатории Массачусетского технологического института и применили свинцовый экран для защиты кубитов от радиации. Они разработали экран для использования в рефрижераторе растворения — технология, используемая для создания температуры чуть выше абсолютного нуля, необходимой для работы сверхпроводящих кубитов. Они увидели, что декогерентность кубитов снижается, когда кубиты защищены.
Хотя это первый шаг к пониманию того, как излучение влияет на квантовые вычисления, Лоер планирует изучить, как излучение воздействует на схемы и подложки в квантовой системе. «Мы можем симулировать и моделировать эти квантовые взаимодействия, чтобы улучшить конструкцию квантовых устройств», — сказал Лоер.
Лоер проводит свои исследования холодильника для разбавления со свинцовым экраном под землей в мелководной подземной лаборатории PNNL с помощью химика PNNL Марвина Уорнера.
«Если мы разработаем квантовое устройство, которое не работает должным образом, нам нужно точно определить проблему», — сказал Уорнер. «Защищая кубиты от внешнего излучения, мы можем начать характеризовать другие потенциальные источники шума в устройстве».
Создание квантовой экосистемы на северо-западе Тихого океана
PNNL поддерживает широкий спектр исследований, связанных с квантовой механикой: от квантового моделирования и разработки алгоритмов для квантовой химии до разработки прецизионных материалов для квантовых устройств.
PNNL также сотрудничает с другими учреждениями на северо-западе Тихого океана, чтобы ускорить квантовые исследования и подготовить кадры, обученные квантовой информатике, через Northwest Quantum Nexus (NQN). Кроме того, NQN проводит серию семинаров с участием лидеров квантовых исследований. NQN объединяет партнерские отношения между такими компаниями, как Microsoft и IonQ, а также Орегонским университетом, Вашингтонским университетом и Университетом штата Вашингтон.
«Сотрудничество PNNL как с промышленностью, так и с университетами создает основу для квантовых вычислений на северо-западе Тихого океана, что закладывает основу для будущих гибридных классических и квантовых вычислений», — сказал Джеймс (Джим) Анг. Энг является главным научным сотрудником по вычислительной технике и руководителем сектора PNNL в программе передовых научных исследований в области вычислительной техники Министерства энергетики (DOE).
