Microso' Sta,on Q: an Overview Chetan Nayak Microso1 Sta3on - PowerPoint PPT Presentation

Microso' ¡Sta,on ¡Q: ¡ an ¡Overview Chetan ¡Nayak ¡ Microso1 ¡Sta3on ¡Q ¡ UCSB ¡Physics ¡

Lo Logis,cs gis,cs 3 ¡UCSB ¡Professors ¡(1 ¡Physics, ¡2 ¡Math) ¡ Personnel: ¡7 ¡Senior ¡Researchers ¡ Microso1 ¡employees ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡Post-­‑doctoral ¡Scien3sts ¡ ¡ ¡ ¡1 ¡Administra3ve ¡Assistant ¡ ¡ ¡ ¡7 ¡graduate ¡students ¡ UCSB ¡students, ¡par3ally ¡supported ¡by ¡Microso1 ¡funding ¡ Loca3on: ¡8 ¡offices, ¡1 ¡conference ¡room ¡in ¡Elings ¡Hall ¡ ¡ Intellectual ¡Property: ¡covered ¡by ¡Framework ¡Agreement ¡ “External” ¡PIs ¡supported ¡at: ¡UCSB ¡(Palmstrom), ¡Copenhagen, ¡Del1, ¡Purdue, ¡Harvard, ¡Maryland, ¡Weizmann ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(≈ ¡50 ¡people) ¡

Missio Mission: ¡ ¡Design ¡ ¡and ¡ ¡build ¡ ¡a ¡ ¡general-­‑ -­‑purpose ¡ ¡quantum ¡ m ¡ comp mputer • Discover ¡the ¡underlying ¡solid ¡state ¡physics ¡necessary ¡to ¡realize ¡a ¡fault-­‑ tolerant ¡quantum ¡computer ¡– ¡topological ¡phases ¡of ¡ma_er. ¡ ¡ • Design ¡devices ¡that ¡exploit ¡this ¡physics. ¡ • Provide ¡theore3cal ¡support ¡for ¡experimental ¡efforts ¡to ¡verify ¡the ¡basic ¡ physics ¡and ¡fabricate ¡and ¡test ¡the ¡resul3ng ¡devices. ¡ • Develop ¡quantum ¡algorithms ¡for ¡use ¡on ¡a ¡future ¡quantum ¡computer ¡

Why ¡ ¡Qu Quantum ¡ m ¡Comp mpute? Cryptography ¡ • Break, ¡e.g., ¡RSA, ¡ellip3c ¡curve ¡ signatures ¡ • Exponen3al ¡speedups ¡ Simula3on ¡of ¡ • Simulate ¡systems ¡in ¡quantum ¡ chemistry ¡and ¡materials ¡science ¡ Physical ¡Systems ¡ • Exponen3al ¡speedups ¡ Machine ¡Learning ¡ • Train ¡computer ¡models, ¡e.g., ¡ Boltzmann ¡machines ¡ • Quadra3c ¡speedups, ¡ Classical ¡Spinoff ¡ Quantana

Br Brea eaki king ¡R ¡RSA ¡ A ¡ RSA-­‑2048 ¡ Challenge ¡ Time ¡to ¡Factor ¡N-­‑bit ¡Number ¡ Classical, ¡2018 ¡ Problem ¡ Classical, ¡2003 ¡ Number ¡of ¡bits ¡N ¡ P. ¡Shor, ¡1994 ¡ Van ¡Meter ¡et ¡al., ¡2006 ¡

Simu mula,ng ¡ ¡Physical ¡ ¡Systems ms Hours ¡(on ¡Cray ¡XE6) ¡ • Inves3gate ¡electronic ¡structure ¡of ¡ large ¡ systems ¡(> ¡50 ¡spin ¡orbitals) ¡ • 35% ¡of ¡supercomputer ¡usage* ¡is ¡ dedicated ¡to ¡solving ¡problems ¡in ¡ quantum ¡chemistry ¡and ¡materials ¡ science ¡(DOE) ¡ • Applica3on ¡Areas: ¡Pharmaceu3cal, ¡ Agricultural, ¡Environmental ¡ *NESRC ¡Annual ¡Report, ¡2013 ¡

Fi Finding ¡ ¡the ¡ ¡Ground ¡ ¡State ¡ ¡of ¡ ¡Ferredoxin • Ferredoxin ¡( 𝐺​𝑓↓ 2 ​𝑇↓ 2 ) ¡ Used ¡in ¡many ¡metabolic ¡reac3ons ¡including ¡energy ¡ transport ¡in ¡photosynthesis ¡ • Classical ¡Algorithm: ¡ ¡Intractable ¡ • Quantum ¡Algorithm ¡2012: ¡ ¡~24 ¡billion ¡years ¡(~ ​𝑂↑ 11 ) ¡ • Quantum ¡Algorithm ¡2015: ¡~1 ¡hour ¡to ¡solve ¡(~ ​𝑂↑ 3 ) ¡ Wecker ¡et ¡al., ¡2013 ¡ Has3ngs ¡et ¡al., ¡2014 ¡

Imp mproving ¡ ¡Qu Quantum ¡ m ¡Chemi mistry ¡ ¡ Algorithms ms 24b ¡ Quantum ¡ ¡ 1.E+18 ¡ (Classically ¡Intractable) ¡ 1B ¡Years ¡ Algorithm ¡ ¡ 1.E+17 ¡ 2012 ¡ 1.E+16 ¡ 1.E+15 ¡ 1.E+14 ¡ 850k ¡ 100,000 ¡ ¡Years ¡ 2013 ¡ 1.E+13 ¡ 1.E+12 ¡ 1.E+11 ¡ 1.E+10 ¡ 30y ¡ SECONDS ¡ 1 ¡Year ¡ 1.E+09 ¡ 2014 ¡ 1.E+08 ¡ 1.E+07 ¡ 5d ¡ 1.E+06 ¡ 2014 ¡ 1 ¡Hour ¡ 1.E+05 ¡ 1.E+04 ¡ 68m ¡ Quantum ¡ ¡ 1.E+03 ¡ 3.7m ¡ 1 ¡Minute ¡ Algorithm ¡ ¡ 1.E+02 ¡ 1.E+01 ¡ 2015 ¡ 1.E+00 ¡ LIQ 𝑽𝒋 𝑽𝒋|⟩ ¡ 1.E-­‑01 ¡ simulaHons ¡ 1.E-­‑02 ¡ 𝑰𝑮 ¡ 𝑰𝑮 𝑰 𝟑 𝑷 ¡ 𝑶𝑰 𝑶𝑰 𝟒 ¡ 𝑫𝑰 𝑫𝑰 𝟓 ¡ 𝑰𝑫𝒎 ¡ 𝑰 𝟑 𝑻 ¡ 𝑰𝑫𝒎 𝑷 𝟒 ¡ 𝑫𝑷 𝟑 ¡ 𝑫𝑷 𝑶𝒋𝒖𝒔𝒑𝒉𝒇𝒐𝒃 𝒐𝒃𝒕 𝑮𝒇 𝟑 𝑻 𝟑 ¡ 𝑮𝒇 𝑫 𝟖 𝑰 𝟔 𝑶𝑷 𝑶𝑷 𝟕 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 40 ¡ 80 ¡ 160 ¡ 𝒇 ¡ NUMBER ¡OF ¡QUBITS ¡

Problem: m: ¡ ¡Imp mperfec,ons ¡ ¡and ¡ ¡Noise Quantum phenomena do not occur in a Hilbert space. They occur in a laboratory. - A. Peres

Microso'’s ¡ ¡Qu Quantum ¡ m ¡Program ¡ m ¡Relies ¡ ¡on ¡ ¡ To Topology

Majo jorana ¡ ¡Wires Magne3c ¡Field ¡ ¡ n o 3 a l e r ¡ . supercon-­‑ ¡ m o m -­‑ y g r e magne3c ¡field ¡ n duc3vity ¡ e ¡ y r a n i d r o “Zeeman ¡effect” ¡ electrons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡holes ¡ SOC ¡+ ¡Mag. ¡Field ¡+ ¡SC ¡= ¡Majorana ¡

Majorana ¡Zero ¡Mode ¡Qubits ¡ 𝑀 ¡ topological ¡protecHon ¡ ​𝜀𝐹 ¡∼ ¡ 𝑓↑ − 𝑀 / 𝜊 ¡ qubit ¡ ¡= ¡ shared ¡ fermion ¡parity ¡ 𝑗 ¡ ​𝛿↓ 1, 𝐵 ¡ ​𝛿↓𝑂 , 𝐶 ¡ =±1 ¡ ¡

Which Semiconductor(s)? plen3ful, ¡ na3ve ¡insulator, ¡ CMOS ¡ high ¡mobility, ¡ low ¡noise ¡ strong ¡spin-­‑orbit ¡coupling, ¡ superconduc3ng ¡proximity ¡ effect ¡

FabricaHon ¡of ¡Majorana ¡Wires ¡ Aluminum ¡ Indium ¡Arsenide ¡ InAs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Al ¡ Marcus, ¡ Krogstrup ¡ 2015 ¡

ObservaHon ¡of ¡MZM ¡ Mourik ¡et ¡al. ¡2012 ¡ Churchill ¡et ¡al. ¡2013 ¡ rough ¡super-­‑semi ¡interface ¡ much ¡clearer ¡evidence ¡for ¡ atomically-­‑clean ¡super-­‑semi ¡interface ¡ “Majorana ¡zero ¡mode” ¡ Krogstrup, ¡Marcus ¡et ¡al. ¡2014 ¡

Pr Protec ec,o ,on ¡is ¡no n ¡is ¡not ¡perf t ¡perfec ect ¡but ¡sho t ¡but ¡should ¡be ¡ uld ¡be ¡ ex exponen&al 𝑗 ¡ ​𝛿↓ 1, 𝐵 ¡ ​𝛿↓𝑂 , 𝐶 ¡ =±1 ¡ energy ¡splisng ¡between ¡these ¡states ¡ should ¡decay ¡exponen3ally ¡ ​𝑓↑ − 𝑀 / 𝜊 ¡

Comb mbaSng ¡ ¡“Qu Quasipar,cle ¡ ¡Poisoning” poten3al ¡ qubit ¡life3me ¡ =49s ¡ Au ¡ =670ms ¡ Al ¡ Al ¡ =9.5ms ¡ NbTiN ¡ Kouwenhoven ¡group ¡2015 ¡

Scalable ¡ ¡Majo jorana ¡ ¡Circuits blue ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡superconductor ¡ = ¡ ¡ ¡ ¡ ¡topological ¡wires, ¡with ¡junctures ¡ = ¡Majorana ¡zero ¡modes ¡(MZMs) ¡ Palmstrom ¡group ¡2015 ¡ doQed ¡yellow ¡ = ¡effec3ve ¡MZM ¡

Qu Quantum ¡ m ¡Innova,on: ¡ ¡Microso' ¡ ¡and ¡ ¡ UC UCSB SB Algorithms ¡and ¡Applica3ons ¡ Important ¡contribu3ons ¡from ¡students ¡to ¡ Programming ¡Languages ¡and ¡Compilers ¡ projects ¡of ¡interest ¡to ¡Microso1. ¡ Quantum ¡ Important ¡part ¡of ¡training ¡for ¡Ph.D. ¡students. ¡ Qubits ¡ Topological ¡physics ¡ Sta3on ¡Q ¡ ¡25 ¡papers ¡coauthored ¡by ¡UCSB ¡ students ¡and ¡Sta3on ¡Q ¡Researchers ¡ KITP ¡ UCSB ¡Physics, ¡Materials ¡ CNSI ¡