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

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

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?

• Break, ¡e.g., ¡RSA, ¡ellip3c ¡curve ¡

signatures ¡

• Exponen3al ¡speedups ¡

Cryptography ¡ Simula3on ¡of ¡ Physical ¡Systems ¡ Machine ¡Learning ¡

• Simulate ¡systems ¡in ¡quantum ¡

chemistry ¡and ¡materials ¡science ¡

• Exponen3al ¡speedups ¡
• Train ¡computer ¡models, ¡e.g., ¡

Boltzmann ¡machines ¡

• Quadra3c ¡speedups, ¡Classical ¡Spinoff ¡

Quantana

Br Brea eaki king ¡R ¡RSA ¡ A ¡

Van ¡Meter ¡et ¡al., ¡2006 ¡

Classical, ¡2003 ¡ Classical, ¡2018 ¡

RSA-­‑2048 ¡ Challenge ¡ Problem ¡ Number ¡of ¡bits ¡N ¡ Time ¡to ¡Factor ¡N-­‑bit ¡Number ¡

• P. ¡Shor, ¡1994 ¡

Simu mula,ng ¡ ¡Physical ¡ ¡Systems ms

• 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 ¡

Hours ¡(on ¡Cray ¡XE6) ¡ *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

Quantum ¡ ¡ Algorithm ¡ ¡ 2012 ¡ Quantum ¡ ¡ Algorithm ¡ ¡ 2015 ¡ (Classically ¡Intractable) ¡ 2013 ¡ 2014 ¡ 2014 ¡

1.E-­‑02 ¡ 1.E-­‑01 ¡ 1.E+00 ¡ 1.E+01 ¡ 1.E+02 ¡ 1.E+03 ¡ 1.E+04 ¡ 1.E+05 ¡ 1.E+06 ¡ 1.E+07 ¡ 1.E+08 ¡ 1.E+09 ¡ 1.E+10 ¡ 1.E+11 ¡ 1.E+12 ¡ 1.E+13 ¡ 1.E+14 ¡ 1.E+15 ¡ 1.E+16 ¡ 1.E+17 ¡ 1.E+18 ¡

10 ¡ 20 ¡ 40 ¡ 80 ¡ 160 ¡ SECONDS ¡

NUMBER ¡OF ¡QUBITS ¡

𝑰𝑮 𝑰𝑮 ¡ 𝑰𝑫𝒎 𝑰𝑫𝒎 ¡ 𝑰𝟑𝑻 ¡ 𝑫𝑷 𝑫𝑷𝟑 ¡

1 ¡Hour ¡ 1 ¡Year ¡ 100,000 ¡ ¡Years ¡

LIQ𝑽𝒋 𝑽𝒋|⟩ ¡ simulaHons ¡

𝑰𝟑𝑷 ¡

1B ¡Years ¡

𝑮𝒇 𝑮𝒇𝟑𝑻𝟑 ¡

1 ¡Minute ¡

𝑫𝟖𝑰𝟔𝑶𝑷 𝑶𝑷𝟕 ¡

24b ¡ 850k ¡ 30y ¡ 5d ¡ 68m ¡ 3.7m ¡

𝑫𝑰 𝑫𝑰𝟓 ¡ 𝑷𝟒 ¡ 𝑶𝒋𝒖𝒔𝒑𝒉𝒇𝒐𝒃 𝒐𝒃𝒕 𝒇 ¡ 𝑶𝑰 𝑶𝑰𝟒 ¡

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

magne3c ¡field ¡ “Zeeman ¡effect” ¡

Majo jorana ¡ ¡Wires

Magne3c ¡Field ¡

• r

d i n a r y ¡ e n e r g y

• ­‑

m

• m

. ¡ r e l a 3

• n

¡

SOC ¡+ ¡Mag. ¡Field ¡+ ¡SC ¡= ¡Majorana ¡

electrons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡holes ¡ supercon-­‑ ¡ duc3vity ¡

Majorana ¡Zero ¡Mode ¡Qubits ¡

𝑗 ¡​𝛿↓1,𝐵 ¡​𝛿↓𝑂,𝐶 ¡=±1 ¡

qubit ¡ ¡= ¡ ¡

𝑀 ¡

topological ¡protecHon ¡

​𝜀𝐹 ¡∼ ¡𝑓↑−𝑀/𝜊 ¡

shared ¡ fermion ¡parity ¡

plen3ful, ¡ na3ve ¡insulator, ¡ CMOS ¡ high ¡mobility, ¡ low ¡noise ¡ strong ¡spin-­‑orbit ¡coupling, ¡ superconduc3ng ¡proximity ¡ effect ¡

Which Semiconductor(s)?

InAs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Al ¡

FabricaHon ¡of ¡Majorana ¡Wires ¡

Marcus, ¡ Krogstrup ¡ 2015 ¡ Aluminum ¡ Indium ¡Arsenide ¡

rough ¡super-­‑semi ¡interface ¡

Mourik ¡et ¡al. ¡2012 ¡ Churchill ¡et ¡al. ¡2013 ¡

atomically-­‑clean ¡super-­‑semi ¡interface ¡

Krogstrup, ¡Marcus ¡et ¡al. ¡2014 ¡

ObservaHon ¡of ¡MZM ¡

much ¡clearer ¡evidence ¡for ¡ “Majorana ¡zero ¡mode” ¡

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 ¡

Au ¡ Al ¡ Al ¡ NbTiN ¡

=9.5ms ¡ =670ms ¡ =49s ¡ poten3al ¡ qubit ¡life3me ¡

Comb mbaSng ¡ ¡“Qu Quasipar,cle ¡ ¡Poisoning”

Kouwenhoven ¡group ¡2015 ¡

Scalable ¡ ¡Majo jorana ¡ ¡Circuits

blue ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡superconductor ¡ = ¡ ¡ ¡ ¡ ¡topological ¡wires, ¡with ¡junctures ¡ = ¡Majorana ¡zero ¡modes ¡(MZMs) ¡ doQed ¡yellow ¡= ¡effec3ve ¡MZM ¡

Palmstrom ¡group ¡2015 ¡

Qu Quantum ¡ m ¡Innova,on: ¡ ¡Microso' ¡ ¡and ¡ ¡ UC UCSB SB

Algorithms ¡and ¡Applica3ons ¡ Programming ¡Languages ¡and ¡Compilers ¡ Quantum ¡

Qubits ¡ Topological ¡physics ¡

Important ¡part ¡of ¡training ¡for ¡Ph.D. ¡students. ¡ Important ¡contribu3ons ¡from ¡students ¡to ¡ projects ¡of ¡interest ¡to ¡Microso1. ¡ UCSB ¡Physics, ¡Materials ¡ Sta3on ¡Q ¡ KITP ¡ CNSI ¡ ¡25 ¡papers ¡coauthored ¡by ¡UCSB ¡ students ¡and ¡Sta3on ¡Q ¡Researchers ¡