Physiker entwickeln speziellen Quantencomputer mit 256 Qubits

In einer bedeutenden Weiterentwicklung der Quantencomputer-Technologie haben Physiker vom Harvard-MIT-Zentrum für ultrakalte Atome und anderen Universitäten einen speziellen Typ von Quantencomputer entwickelt. Dieses System wird als programmierbarer Quantensimulator bezeichnet und kann mit 256 Quantenbits, oder “Qubits”, arbeiten. Qubits sind für den Betrieb von Quantencomputern von grundlegender Bedeutung und sind die Quelle ihrer Rechenleistung.

Die neue Entwicklung bringt uns näher an die Erreichung großer, skalierbarer Quantenmaschinen, die verwendet werden könnten, um tiefere Einblicke in komplexe Quantenprozesse zu gewinnen. Sie könnten auch erhebliche Auswirkungen auf Bereiche wie Materialwissenschaft, Kommunikationstechnologie, Finanzen und andere haben, die derzeit in der Forschung Barrieren aufweisen.

Die Forschung wurde am 9. Juli in Nature veröffentlicht.

Das Feld vorantreiben

Mikhail Lukin ist der George Vasmer Leverett Professor für Physik und Mitdirektor der Harvard Quantum Initiative. Er ist auch einer der Hauptautoren der Studie.

“Dies bewegt das Feld in ein neues Gebiet, in das noch niemand bisher vorgedrungen ist”, sagte Lukin. “Wir betreten einen völlig neuen Teil der Quantenwelt.”

Sepehr Ebadi ist ein Physikstudent an der Graduate School of Arts and Sciences und der Hauptautor der Studie.

Laut Ebadi sind die größten Merkmale des Systems seine Größe und seine Programmierbarkeit, die es zu einem der besten Systeme machen. Es kann die Eigenschaften von Materie auf extrem kleinen Skalen nutzen, was es ermöglicht, die Rechenleistung zu steigern. Eine Erhöhung der Qubits kann dazu beitragen, dass das System exponentiell mehr Informationen speichern und verarbeiten kann als klassische Bits, auf die herkömmliche Computer zurückgreifen.

“Die Anzahl der Quantenzustände, die mit nur 256 Qubits möglich sind, übersteigt die Anzahl der Atome in unserem Sonnensystem”, sagte Ebadi.

Der Simulator hat es Forschern ermöglicht, exotische Quantenzustände von Materie zu beobachten sowie eine Quantenphasenübergangsstudie durchzuführen, die extrem präzise war und zeigte, wie Magnetismus auf der Quantenebene funktioniert.

Laut den Forschern könnten diese Experimente dazu beitragen, dass Wissenschaftler lernen, wie man neue Materialien mit exotischen Eigenschaften entwirft.

Das neue System

Das Projekt basiert auf einer Plattform, die 2017 von den Forschern entwickelt wurde, aber diesmal wesentlich verbessert wurde. Es war in der Lage, eine Größe von 51 Qubits zu erreichen, und ermöglichte es den Forschern, ultra-kalte Rubidium-Atome zu erfassen und sie in einer bestimmten Reihenfolge durch die Verwendung eines eindimensionalen Arrays von individuell fokussierten Laserstrahlen anzuordnen.

Dieses System ermöglicht es, Atome in zweidimensionale Arrays von optischen Pinzetten anzuordnen, was der Name für die Laserstrahlen ist. Dies ermöglicht es, die erreichbare Systemgröße von 51 auf 256 Qubits zu erhöhen. Die Forscher können dann die Pinzetten verwenden, um die Atome in fehlerfreien Mustern anzuordnen und programmierbare Formen zu erstellen, was es ermöglicht, unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Qubits zu erzeugen.

“Das Herzstück dieser neuen Plattform ist ein Gerät namens räumlicher Lichtmodulator, das verwendet wird, um eine optische Welle zu formen und damit hunderte von individuell fokussierten optischen Pinzettenstrahlen zu erzeugen”, sagte Ebadi. “Diese Geräte sind im Wesentlichen dieselben wie die, die in einem Computerprojektor verwendet werden, um Bilder auf einem Bildschirm anzuzeigen, aber wir haben sie so angepasst, dass sie ein kritischer Bestandteil unseres Quantensimulators sind.”

Die Atome werden zunächst zufällig in die optischen Pinzetten geladen, bevor die Forscher die Atome umstellen und sie in Zielgeometrien anordnen. Ein zweites Satz von beweglichen optischen Pinzetten wird dann verwendet, um die Atome zu ihren gewünschten Positionen zu ziehen, was die anfängliche Zufälligkeit beseitigt. Die Laser ermöglichen es den Forschern, die vollständige Kontrolle über die Positionierung der atomaren Qubits und ihre kohärente Quantenmanipulation zu übernehmen.

Tout Wang ist ein Forschungsassistent für Physik an der Harvard-Universität und einer der Autoren des Papiers.

“Unser Werk ist Teil eines wirklich intensiven, hochsichtbaren globalen Wettlaufs, um größere und bessere Quantencomputer zu bauen”, sagte Wang. “Der Gesamteffort [jenseits unseres eigenen] hat Top-Akademien und große private Investitionen von Google, IBM, Amazon und vielen anderen involviert.”

Das Team arbeitet nun daran, das System zu verbessern, indem es die Laserkontrolle über Qubits verbessert und das System programmierbarer macht. Laut den Forschern könnten mögliche Anwendungen die Erforschung exotischer Formen von Quantenmaterie und die Lösung realer Probleme umfassen, die natürlicherweise auf den Qubits codiert werden können.

“Diese Arbeit ermöglicht eine riesige Anzahl neuer wissenschaftlicher Richtungen”, sagte Ebadi. “Wir sind noch nicht einmal nahe an den Grenzen dessen, was mit diesen Systemen möglich ist.”