Fysikere udvikler special kvantecomputer med 256 qubits

I et større gennembrud inden for kvantecomputering har et hold fysikere fra Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms og andre universiteter skabt en særlig type kvantecomputer. Dette system kaldes en programmerbar kvantesimulator, og det kan operere med 256 kvantebits, eller “qubits”. Qubits er grundlæggende for kvantecomputernes drift, og de er kilden til deres processorkraft.

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

Forskningen blev offentliggjort den 9. juli i Nature.

At skubbe feltet fremad

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

“Dette flytter feltet ind i et nyt 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 største funktioner dets størrelse og programmerbarhed, hvilket gør det til et af de bedste systemer omkring. Det kan udnytte egenskaberne ved stof på ekstremt små skalaer, hvilket muliggør en forbedring af processorkraften. En øgning af 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 gjort det muligt for forskerne at observere eksotiske kvantetilstande af stof samt udføre en kvantefaseovergangsstudie, som var ekstremt præcis og demonstrerede, hvordan magnetisme fungerer på kvanteniveau.

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

Det nye system

Projektet bygger på en platform, der blev udviklet i 2017 af forskerne, men den blev betydeligt opgraderet denne gang. Den kunne nå en størrelse på 51 qubits tidligere, og den gjorde det muligt for forskerne at fange ultra-kolde rubidiumatomer og arrangerede dem i en bestemt rækkefølge ved hjælp af en éndimensional matrix af individuelt fokuserede laserstråler.

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

“Arbejdshesten i denne nye platform er en enhed kaldet spatial lysmodulator, der bruges til at forme et optisk bølgefront til at producere hundredvis af individuelt fokuserede optiske tangenterstråler,” sagde Ebadi. “Disse enheder er grundlæggende det samme som det, der bruges 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 tilfældigt i de optiske tangenter, 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 giver forskerne fuld kontrol over placeringen af de atomare qubits og deres kohærente kvantemanipulation.

Tout Wang er en forskningsmedarbejder 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 [ud over vores egen] har top-akademiske forskningsinstitutioner involveret og stor privat investering fra Google (GOOGL ), IBM, Amazon (AMZN ) 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 omfatte at undersøge eksotiske former for kvantestof og løse virkelige problemer, der kan kodificeres naturligt på qubits.

“Dette arbejde åbner op for en masse nye videnskabelige retninger,” sagde Ebadi. “Vi er langt fra grænserne for, hvad der kan gøres med disse systemer.”