Fyzici vyvinuli speciální kvantový počítač s 256 qubity

Ve významném pokroku v oblasti kvantového počítačového zpracování informací vytvořila skupina fyziků z Harvard-MIT Centra pro ultrachladné atomy a dalších univerzit 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 zpracování.

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

Výzkum byl zveřejněn 9. července v Nature.

Pohybující se vpřed

Mikhail Lukin je profesor fyziky a spoludirektor Harvard Quantum Initiative. Je také jedním z hlavních autorů studie.

“Toto pohybuje pole do nové domény, kam nikdo dosud nebyl,” řekl Lukin. “Vstupujeme do zcela 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, což z něj dělá jeden z nejlepších systémů. Může využít vlastnosti látky na extrémně malých škálách, což mu umožňuje zvýšit zpracování. 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 pouze 256 qubity, přesahuje počet atomů ve sluneční soustavě,” řekl Ebadi.

Simulátor umožnil výzkumníkům pozorovat exotické kvantové stavy látky, stejně jako provést studii kvantové fázové přechodu, která byla extrémně přesná a ukázala, 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 podstatně vylepšena tento čas. Byla schopna dosáhnout velikosti 51 qubitů v minulosti a umožnila výzkumníkům zachytit ultra-chladné rubidiumové atomy a uspořádat je do specifického pořadí pomocí jednorozměrného pole jednotlivě zaměřených laserových paprsků.

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

“Pracovní koně tohoto nového platformy je zařízení nazvané prostorový modulátor světla, který se používá k tvarování optické vlnové fronty pro výrobu stovek jednotlivě 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 přizpůsobili, aby se staly kritickou součástí našeho kvantového simulátoru.”

Atomy jsou nejprve nahrané do optických pinzet náhodně, než výzkumníci pohybují atomy a uspořádají je do cílových geometrií. Druhá sada pohyblivých optických pinzet se pak používá k tažení atomů do jejich požadovaných poloh, což eliminuje počáteční náhodnost. Lasery umožňují výzkumníkům plnou kontrolu nad umístěním atomových qubitů a jejich koherentní 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 přední akademické výzkumné instituce a významné soukromé investice od Google (GOOGL ), IBM, Amazonu a mnoha dalších.”

Tým nyní pracuje na vylepšení systému zlepšením laserové kontroly nad qubity, stejně jako na tom, aby systém stal více programovatelným. Podle výzkumníků jsou možné aplikace zahrnovat zkoumání exotických forem kvantové látky a řešení reálných problémů, které lze přirozeně zakódovat na qubitech.

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