Physiker entwickeln speziellen Quantencomputer mit 256 Qubits

In einem bedeutenden Fortschritt in der Quantencomputertechnologie haben Physiker des Harvard-MIT-Zentrums für ultrakalte Atome und anderer 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 entscheidender 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 in Bereichen wie Materialwissenschaft, Kommunikationstechnologie, Finanzen und anderen haben, die derzeit in der Forschung vor Barrieren stehen.

Die Forschung wurde am 9. Juli in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Die Forschung voranbringen

Mikhail Lukin ist Professor für Physik und Co-Direktor der Harvard Quantum Initiative. Er ist auch einer der Hauptautoren der Studie.

“Dies bringt das Feld in ein neues Gebiet, in dem noch niemand zuvor war”, sagte Lukin. “Wir betreten ein völlig neues Teil der Quantenwelt.”

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

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

“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 sehr 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 erheblich aufgerüstet wurde. Es war in der Lage, eine Größe von 51 Qubits zu erreichen, und ermöglichte es den Forschern, ultrakalte Rubidiumatome zu erfassen und in einer bestimmten Reihenfolge anzuordnen, indem sie ein eindimensionales Array von individuell fokussierten Laserstrahlen verwendeten.

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 unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Qubits ermöglicht.

“Das Werkpferd dieser neuen Plattform ist ein Gerät namens räumlicher Lichtmodulator, das verwendet wird, um eine optische Welle zu formen und 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 bewegen und in Zielgeometrien anordnen. Ein zweites Set von beweglichen optischen Pinzetten wird dann verwendet, um die Atome zu ihren gewünschten Positionen zu ziehen, was die anfängliche Zufälligkeit eliminiert. Die Laserstrahlen ermöglichen es den Forschern, die Positionierung der atomaren Qubits und ihre kohärente Quantenmanipulation vollständig zu kontrollieren.

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

“Unsere Arbeit ist Teil eines sehr intensiven, hochsichtbaren globalen Wettlaufs, um größere und bessere Quantencomputer zu bauen”, sagte Wang. “Der Gesamteffort [jenseits unseres eigenen] hat führende akademische Forschungseinrichtungen und große private Investitionen von Google (GOOGL ), IBM, Amazon (AMZN ) und vielen anderen.”

Das Team arbeitet nun daran, das System zu verbessern, indem es die Laserkontrolle über die Qubits verbessert und das System programmierbarer macht. Laut den Forschern könnten mögliche Anwendungen das Erforschen exotischer Formen von Quantenmaterie und das Lösen 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.”