Fysikere udvikler special quantum computer med 256 qubits

I det, der er et større gennembrud inden for kvantecomputering, har et hold af fysikere fra Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms og andre universiteter oprettet en særlig type kvantecomputer. Dette system kaldes en programmerbar kvantesimulator, og det kan fungere med 256 kvantebits, eller “qubits”. Qubits er fundamentale for driften af kvantecomputere, og de er kilden til deres proceskraft.

Den nye udvikling bringer os tættere på at opnå store kvantemaskiner, som kan bruges til at opnå dyb indsigt i komplekse kvanteprocesser. De kan også have store implikationer i fag som materialevidenskab, kommunikationsteknologier, finans og andre fag, der i øjeblikket står over for barrierer i forskningen.

Forskningen blev offentliggjort den 9. juli i Nature. 

At skyde feltet fremad

Mikhail Lukin er George Vasmer Leverett Professor i fysik og co-direktør for Harvard Quantum Initiative. Han er også en af de seniorforfattere af studiet.

“Dette flytter feltet ind i en ny domæne, hvor ingen har været før,” sagde Lukin. “Vi er ved at gå ind i en helt ny del af den kvanteverden.”

Sepehr Ebadi er en fysikstuderende på Graduate School of Arts and Sciences og studiets førsteforfatter. 

Ifølge Ebadi er systemets bedste funktioner dets størrelse og programmerbarhed, hvilket gør det til et af de bedste systemer omkring. Det kan udnytte egenskaberne af stof på ekstremt små skalaer, hvilket muliggør, at det kan forbedre proceskraften. En øgning i qubits kan hjælpe systemet med at gemme og behandle eksponentielt mere information end klassiske bits, som standardcomputere afhænger af.

“Antallet af kvantetilstande, der er mulige med kun 256 qubits, overstiger antallet af atomer i solsystemet,” sagde Ebadi.

Simulatoren har muliggjort, at forskerne kan observere eksotiske kvantetilstande af stof samt udføre en kvantefasetransitionsstudie, som var ekstremt præcis og demonstrerede, hvordan magnetisme fungerer på kvanteniveau.

Ifølge forskerne kan disse eksperimenter hjælpe videnskabsmænd med at lære, hvordan de kan designe nye materialer med eksotiske egenskaber.

Det nye system

Projektet afhænger af en platform, der blev udviklet i 2017 af forskerne, men det blev betydeligt opgraderet denne gang. Det var i stand til at nå en størrelse på 51 qubits tidligere, og det muliggjorde, at forskerne kunne fange ultra-kolde rubidiumatomer og arrangere dem i en bestemt rækkefølge gennem brug af en en-dimensionel matrix af individuelt fokuserede laserstråler. 

Dette system muliggør, at atomer kan samles i to-dimensionelle matricer af optiske tangenter, hvilket er navnet på laserstrålerne. Dette muliggør, at den opnåelige systemstørrelse kan øges fra 51 til 256 qubits. Forskerne kan derefter bruge tangenterne til at arrangere atomerne i fejlfrie mønstre og skabe programmerbare former, hvilket muliggør forskellige interaktioner mellem qubits.

“Hesten i dette nye platform er en enhed kaldet spatial lysmodulator, som bruges til at forme en optisk bølgefront til at producere hundredvis af individuelt fokuserede optiske tangenterstråler,” sagde Ebadi. “Disse enheder er essentielt det samme som det, der bruges inde i en computerprojektor til at vise billeder på en skærm, men vi har tilpasset dem til at være en kritisk komponent i vores kvantesimulator.”

Atomerne indlæses først i de optiske tangenter tilfældigt, før forskerne flytter atomerne rundt og arrangerer dem i målgeometrier. En anden sæt af flyttbare optiske tangenter bruges derefter til at trække atomerne til deres ønskede placeringer, hvilket eliminerer den initiale tilfældighed. Lasere muliggør, at forskerne kan have fuld kontrol over placeringen af de atomare qubits og deres koherente kvantemanipulation.

Tout Wang er en forskningsassistent i fysik på Harvard og en af forfatterne af artiklen.

“Vores arbejde er en del af en rigtig intens, højprofileret global kapløb for at bygge større og bedre kvantecomputere,” sagde Wang. “Den samlede indsats [uden for vores egen] har top akademiske forskningsinstitutioner involveret og stor privat investering fra Google, IBM, Amazon og mange andre.”

Holdet arbejder nu på at forbedre systemet ved at forbedre laserkontrollen over qubits samt gøre systemet mere programmerbart. Ifølge forskerne kan mulige anvendelser inkludere at undersøge eksotiske former for kvantestof og løse virkelige problemer, som kan kodificeres naturligt på qubits.

“Dette arbejde muliggør en stor mængde nye videnskabelige retninger,” sagde Ebadi. “Vi er ikke nær grænserne for, hvad der kan gøres med disse systemer.”