Fyzici vyvinuli speciální kvantový počítač s 256 qubity

Je to velký pokrok v oblasti kvantového počítání, tým fyziků z Harvard-MIT Centra pro ultrachladné atomy a dalších univerzit vytvořil speciální typ kvantového počítače. Tento systém se nazývá programovatelný kvantový simulátor a může fungovat s 256 kvantovými bity, nebo „qubity“. Qubity jsou zásadní pro fungování kvantových počítačů a jsou zdrojem jejich výpočetní síly.

Tento nový vývoj nás přivádí blíže k dosažení velkých kvantových strojů, které by mohly být použity k získání hlubokého vhledu do složitých kvantových procesů. Mohly by také mít velké důsledky v oblastech, jako je materiálová věda, komunikační technologie, finance a různé další, které目前 čelí bariérám ve výzkumu.

Výzkum byl publikován 9. července v Nature. 

Tlačící se do popředí

Mikhail Lukin je George Vasmer Leverett Professor of Physics a spoluedirector of the Harvard Quantum Initiative. Je také jedním z hlavních autorů studie.

“Toto pohybuje pole do nové domény, kde nikdo dosud nebyl,” řekl Lukin. “Vstupujeme do úplně nové části kvantového světa.”

Sepehr Ebadi je student fyziky na Graduate School of Arts and Sciences a hlavní autor studie.

Podle Ebadiho jsou největšími rysy systému jeho velikost a programovatelnost, které z něj činí jeden z nejlepších systémů. Může využít vlastnosti hmoty na extrémně malých škálách, což mu umožňuje zvýšit výpočetní sílu. Zvýšení qubitů může pomoci systému uložit a zpracovat exponenciálně více informací než klasické bity, na kterých závisí standardní počítače.

“Počet kvantových stavů, které jsou možné s pouhými 256 qubity, přesahuje počet atomů ve sluneční soustavě,” řekl Ebadi.

Simulátor umožnil výzkumníkům pozorovat exotické kvantové stavy hmoty, stejně jako provést studii kvantové fázové přechodu, která byla extrémně přesná a demonstrovala, jak magnetismus funguje na kvantové úrovni.

Podle výzkumníků by tyto experimenty mohly pomoci vědcům naučit se, jak navrhnout nové materiály s exotickými vlastnostmi.

Nový systém

Projekt spoléhá na platformu vyvinutou v roce 2017 výzkumníky, ale byla významně upgradována. Byla schopna dosáhnout velikosti 51 qubitů v minulosti a umožnila výzkumníkům zachytit ultra-chladné rubidium atomy a uspořádat je do specifického pořadí pomocí jedné dimenze individuálně zaměřených laserových paprsků.

Tento systém umožňuje atomům být sestaveny do dvourozměrných polí optických pinzet, což je název pro laserové paprsky. To umožňuje zvýšit velikost systému z 51 na 256 qubitů. Výzkumníci mohou poté použít pinzety k uspořádání atomů do vadných vzorců a vytvořit programovatelné tvary, které umožňují různé interakce mezi qubity.

“Hlavní složkou této nové platformy je zařízení nazývané prostorový modulátor světla, které se používá k tvarování optické vlnové fronty pro produkci stovek individuálně zaměřených optických pinzet,” řekl Ebadi. “Tato zařízení jsou v podstatě stejná jako ta, která se používá uvnitř počítačového projektoru pro zobrazování obrazů na obrazovce, ale my jsme je adaptovali, aby se staly kritickou součástí našeho kvantového simulátoru.”

Atomy jsou nejprve nahrány do optických pinzet náhodně, než výzkumníci přesunou atomy a uspořádají je do cílových geometrií. Druhá sada pohyblivých optických pinzet je poté použita k tažení atomů do jejich požadovaných umístění, což eliminuje počáteční náhodnost. Lasery umožňují výzkumníkům mít plnou kontrolu nad umístěním atomových qubitů a jejich kohorentní kvantovou manipulací.

Tout Wang je výzkumný asistent fyziky na Harvardu a jeden z autorů článku.

“Naše práce je součástí opravdu intenzivní, vysoce viditelné globální soutěže na stavbu větších a lepších kvantových počítačů,” řekl Wang. “Celková snaha [mimo naši vlastní] zahrnuje top akademické výzkumné instituce a významné soukromé investice od Google, IBM, Amazon a mnoha dalších.”

Tým nyní pracuje na zlepšení systému zlepšením laserové kontroly nad qubity, stejně jako činí systém více programovatelným. Podle výzkumníků možné aplikace zahrnují zkoumání exotických forem kvantové hmoty a řešení reálných problémů, které lze přirozeně zakódovat na qubity.

“Tato práce umožňuje obrovské množství nových vědeckých směrů,” řekl Ebadi. “Jsme nikde近 hranic toho, co lze udělat s těmito systémy.”